JP2015084412A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device with a transistor having a high on-state current and a low off-state current; and provide a semiconductor device having stable electrical characteristics.SOLUTION: A semiconductor device uses a gate electrode having Gibbs free energy of oxidation reaction higher than that of a gate insulation film. A manufacturing method of the semiconductor device comprises the steps of: forming a fin-shaped oxide semiconductor on an insulating surface; forming a gate insulation film on the oxide semiconductor; forming a gate electrode which faces a top face and a lateral face of the oxide semiconductor via the gate insulation film and at least includes an oxide layer; and subsequently performing a heat treatment to reduce the gate electrode and to supply oxygen to the oxide semiconductor via the gate insulation film.

Description

本発明は、物、方法、又は製造方法に関する。又は、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、又は組成物(コンポジション・オブ・マター)に関する。また、本発明の一態様は、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、記憶装置、それらの駆動方法又はそれらの製造方法に関する。特に、本発明の一態様は、酸化物半導体を含む半導体装置、表示装置、又は発光装置に関する。 The present invention relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, the present invention relates to a process, machine, manufacture, or composition (composition of matter). One embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, a light-emitting device, a power storage device, a memory device, a driving method thereof, or a manufacturing method thereof. In particular, one embodiment of the present invention relates to a semiconductor device, a display device, or a light-emitting device including an oxide semiconductor.

なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。表示装置、電気光学装置、半導体回路及び電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A display device, an electro-optical device, a semiconductor circuit, and an electronic device may include a semiconductor device.

近年、集積回路(IC)の高集積化に伴い、トランジスタの微細化が要求されているが、トランジスタを微細化するにつれて、寄生抵抗によるオン電流の低下、サブスレッショルド特性の劣化が顕在化している。上述の問題を克服するために、半導体をフィン(Fin)と呼ばれる立体形状に加工し、その上面と側面をゲート電極で囲むトランジスタが、主にシリコンを用いたトランジスタで提案されている(非特許文献1、非特許文献2)。 In recent years, with higher integration of integrated circuits (ICs), miniaturization of transistors has been demanded. However, as transistors are miniaturized, a decrease in on-current due to parasitic resistance and deterioration of subthreshold characteristics have become apparent. . In order to overcome the above-described problems, a transistor in which a semiconductor is processed into a three-dimensional shape called a fin (Fin) and its upper surface and side surfaces are surrounded by a gate electrode has been proposed as a transistor mainly using silicon (non-patent document). Document 1, Non-Patent Document 2).

他にトランジスタに適用可能な半導体として、酸化物半導体が注目されている。酸化物半導体を用いたトランジスタは、製造工程が容易で、アモルファスシリコンを用いたトランジスタよりも動作が速く、オフ状態のリーク電流が極めて低いことから、集積回路や画像表示装置(単に表示装置とも表記する)への応用が期待されている。 As another semiconductor applicable to a transistor, an oxide semiconductor has attracted attention. Transistors using oxide semiconductors are easier to manufacture, operate faster than transistors using amorphous silicon, and have very low off-state leakage current. Therefore, integrated circuits and image display devices (also simply referred to as display devices) Application is expected.

酸化物半導体の膜中および界面に存在する酸素欠損は、トランジスタの電気特性を変動させることが知られているが、酸化物半導体の界面および膜中に、効果的に酸素を供給することで、上記課題を克服できることが知られている。酸化物半導体に酸素を供給する方法として、酸化物半導体と接する絶縁体から酸素を供給する方法(特許文献1)や、ゲート電極から酸素を供給する方法(特許文献2)が開示されている。 Oxygen deficiency existing in the oxide semiconductor film and at the interface is known to fluctuate the electrical characteristics of the transistor, but by supplying oxygen effectively to the oxide semiconductor interface and film, It is known that the above problems can be overcome. As a method for supplying oxygen to an oxide semiconductor, a method for supplying oxygen from an insulator in contact with the oxide semiconductor (Patent Document 1) and a method for supplying oxygen from a gate electrode (Patent Document 2) are disclosed.

特開2012−009836号公報JP 2012-009836 A 特開2013−131740号公報JP 2013-131740 A

IEEE Electron Device Letters Vol.11、pp.36−39、1990IEEE Electron Device Letters Vol. 11, pp. 36-39, 1990 IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest、pp.1032−1034、1998IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 1032-1034, 1998

本発明の一態様は、オン電流が高く、オフ電流が低い半導体装置を提供することを課題の一とする。または、安定な電気特性をもつ半導体装置を提供することを課題の一とする。または、新規な半導体装置を提供することを課題の一とする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide a semiconductor device with high on-state current and low off-state current. Another object is to provide a semiconductor device having stable electrical characteristics. Another object is to provide a novel semiconductor device.

なお、複数の課題の記載は、互いの課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全て解決する必要はない。また、列記した以外の課題が、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、これらの課題も、本発明の一形態の課題となり得る。 Note that the description of a plurality of tasks does not disturb each other's existence. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Problems other than those listed will be apparent from descriptions of the specification, drawings, claims, and the like, and these problems may also be a problem of one embodiment of the present invention.

本発明の一態様は、酸化物半導体と、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、を有する半導体装置であって、酸化物半導体はフィン形状を有し、ゲート電極は、酸化物半導体の上面及び側面と面し、ゲート絶縁膜は、酸化物半導体とゲート電極の間に設けられる。また、ゲート電極は、少なくとも第1の層及び第2の層を含み、ゲート電極の第1の層は、ゲート絶縁膜と接し、ゲート電極の第1の層は、ゲート電極の第2の層よりも酸素濃度が低い、ことが好ましい。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including an oxide semiconductor, a gate electrode, and a gate insulating film, in which the oxide semiconductor has a fin shape, and the gate electrode includes an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor. The gate insulating film is provided between the oxide semiconductor and the gate electrode. The gate electrode includes at least a first layer and a second layer, the first layer of the gate electrode is in contact with the gate insulating film, and the first layer of the gate electrode is the second layer of the gate electrode. It is preferable that the oxygen concentration is lower than that.

上記態様において、ゲート電極の第1の層は、ゲート絶縁膜よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質からなることが好ましい。 In the above aspect, the first layer of the gate electrode is preferably made of a material having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the gate insulating film.

上記態様において、ゲート電極の第1の層が、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、白金および金から選ばれる一種以上の元素を含むことが好ましい。 In the above embodiment, the first layer of the gate electrode preferably contains one or more elements selected from silver, copper, ruthenium, iridium, platinum, and gold.

上記態様において、ゲート絶縁膜が酸素透過性を有することが好ましい。 In the above embodiment, the gate insulating film preferably has oxygen permeability.

本発明の一態様は、酸化物半導体と、第1のゲート電極と、第2のゲート電極と、第1のゲート絶縁膜と、第2のゲート絶縁膜と、を有する半導体装置であって、酸化物半導体はフィン形状を有し、第1のゲート電極は、酸化物半導体の上面及び側面と面し、第2のゲート電極は、酸化物半導体の下面と面し、第1のゲート絶縁膜は、酸化物半導体と第1のゲート電極の間に設けられ、第2のゲート絶縁膜は、酸化物半導体と第2のゲート電極の間に設けられる。また、第1のゲート電極は、少なくとも第1の層及び第2の層を含み、第2のゲート電極は、少なくとも第1の層及び第2の層を含み、第1のゲート電極の第1の層は、第1のゲート絶縁膜と接し、第2のゲート電極の第1の層は、第2のゲート絶縁膜と接し、第1のゲート電極の第1の層は、第1のゲート電極の第2の層よりも酸素濃度が低く、第2のゲート電極の第1の層は、第2のゲート電極の第2の層よりも酸素濃度が低い、ことが好ましい。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device including an oxide semiconductor, a first gate electrode, a second gate electrode, a first gate insulating film, and a second gate insulating film, The oxide semiconductor has a fin shape, the first gate electrode faces the top surface and the side surface of the oxide semiconductor, the second gate electrode faces the bottom surface of the oxide semiconductor, and the first gate insulating film Is provided between the oxide semiconductor and the first gate electrode, and the second gate insulating film is provided between the oxide semiconductor and the second gate electrode. The first gate electrode includes at least a first layer and a second layer, and the second gate electrode includes at least a first layer and a second layer, and the first gate electrode includes a first gate electrode. The first layer of the second gate electrode is in contact with the second gate insulating film, and the first layer of the first gate electrode is in contact with the first gate insulating film. Preferably, the oxygen concentration is lower than the second layer of the electrode, and the first layer of the second gate electrode has a lower oxygen concentration than the second layer of the second gate electrode.

上記態様において、第1のゲート電極の第1の層は、第1のゲート絶縁膜よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質からなることが好ましい。また、第2のゲート電極の第1の層は、第2のゲート絶縁膜よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質からなることが好ましい。 In the above aspect, the first layer of the first gate electrode is preferably made of a material having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the first gate insulating film. The first layer of the second gate electrode is preferably made of a material having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the second gate insulating film.

上記態様において、第1のゲート電極の第1の層及び第2のゲート電極の第1の層が、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、白金および金から選ばれる一種以上の元素を含むことが好ましい。 In the above aspect, the first layer of the first gate electrode and the first layer of the second gate electrode preferably include one or more elements selected from silver, copper, ruthenium, iridium, platinum, and gold. .

上記態様において、第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜が、酸素透過性を有することが好ましい。 In the above embodiment, it is preferable that the first gate insulating film and the second gate insulating film have oxygen permeability.

本発明の一態様は、上記態様に記載の半導体装置と、マイクロフォン、スピーカー、および操作キーのうちの少なくとも1つと、を有する電子機器である。 One embodiment of the present invention is an electronic device including the semiconductor device described in the above embodiment and at least one of a microphone, a speaker, and an operation key.

本発明の一態様は、フィン形状を有する酸化物半導体を形成し、酸化物半導体上にゲート絶縁膜を形成し、少なくとも酸化物層を含むゲート電極を、ゲート絶縁膜を介して、酸化物半導体の上面および側面と面するように形成し、加熱処理を行うことで、ゲート絶縁膜を介してゲート電極から酸化物半導体へ酸素を供給することを特徴とする半導体装置の作製方法である。 According to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor having a fin shape is formed, a gate insulating film is formed over the oxide semiconductor, and the gate electrode including at least the oxide layer is interposed between the oxide semiconductor and the oxide semiconductor. A method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that oxygen is supplied from the gate electrode to the oxide semiconductor through the gate insulating film by performing heat treatment so as to face the upper surface and the side surface of the semiconductor device.

本発明の一態様は、少なくとも酸化物層を含む第2のゲート電極を形成し、第2のゲート電極上に、第2のゲート絶縁膜を形成し、第2のゲート絶縁膜上に、第2のゲート電極と重なるように、フィン形状を有する酸化物半導体を形成し、酸化物半導体上に第1のゲート絶縁膜を形成し、少なくとも酸化物層を含む第1のゲート電極を、第1のゲート絶縁膜を介して、酸化物半導体の上面および側面と面するように形成し、加熱処理を行うことで、第1のゲート絶縁膜を介して第1のゲート電極から酸化物半導体へ酸素を供給し、同時に、第2のゲート絶縁膜を介して第2のゲート電極から酸化物半導体へ酸素を供給することを特徴とする半導体装置の作製方法である。 According to one embodiment of the present invention, a second gate electrode including at least an oxide layer is formed, a second gate insulating film is formed over the second gate electrode, and the second gate insulating film is formed over the second gate insulating film. An oxide semiconductor having a fin shape is formed so as to overlap with the gate electrode of 2, a first gate insulating film is formed over the oxide semiconductor, and the first gate electrode including at least the oxide layer is formed as the first gate electrode. The oxide semiconductor is formed so as to face the top surface and the side surface of the oxide semiconductor through the gate insulating film, and is subjected to heat treatment, whereby oxygen is transferred from the first gate electrode to the oxide semiconductor through the first gate insulating film. And at the same time oxygen is supplied from the second gate electrode to the oxide semiconductor through the second gate insulating film.

本発明の一態様により、オン電流が高く、オフ電流が低い半導体装置を提供することが可能になる。また、本発明の一態様により、安定な電気特性をもつ半導体装置を提供することが可能になる。また、本発明の一態様により、新規な半導体装置を提供することが可能になる。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device with high on-state current and low off-state current can be provided. Further, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor device having stable electric characteristics can be provided. According to one embodiment of the present invention, a novel semiconductor device can be provided.

なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。 Note that the description of these effects does not disturb the existence of other effects. Note that one embodiment of the present invention does not necessarily have all of these effects. It should be noted that the effects other than these are naturally obvious from the description of the specification, drawings, claims, etc., and it is possible to extract the other effects from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.

本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様の半導体装置に含まれる積層構造の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a stacked structure included in a semiconductor device of one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作成方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作成方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタの作成方法を示す断面図。10A to 10D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様に係るトランジスタを示す上面図および断面図。4A and 4B are a top view and cross-sectional views illustrating a transistor according to one embodiment of the present invention. 実施の形態に係る、半導体装置の断面図及び回路図。4A and 4B are a cross-sectional view and a circuit diagram of a semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態に係る、記憶装置の構成例。4 illustrates a configuration example of a storage device according to an embodiment. 実施の形態に係る、RFIDタグの構成例。4 shows a configuration example of an RFID tag according to an embodiment. 実施の形態に係る、CPUの構成例。The structural example of CPU which concerns on embodiment. 実施の形態に係る、記憶素子の回路図。FIG. 6 is a circuit diagram of a memory element according to an embodiment. 実施の形態に係る、電子機器。An electronic device according to an embodiment. 実施の形態に係る、RFIDの使用例。The usage example of RFID based on Embodiment. 酸化反応のギブス自由エネルギーを示す図。The figure which shows the Gibbs free energy of an oxidation reaction. TDS分析の結果を示す図。The figure which shows the result of a TDS analysis. 酸化シリコン膜中の酸素の拡散を説明する図。6A and 6B illustrate oxygen diffusion in a silicon oxide film. 酸化物半導体膜のナノビーム電子回折パターンを示す図。FIG. 9 shows a nanobeam electron diffraction pattern of an oxide semiconductor film. 透過電子回折測定装置の一例を示す図。The figure which shows an example of a transmission electron diffraction measuring apparatus. 透過電子回折測定による構造解析の一例を示す図。The figure which shows an example of the structural analysis by a transmission electron diffraction measurement. 実施の形態に係る、表示装置の構成例及び回路図。4A and 4B are a configuration example and a circuit diagram of a display device according to an embodiment.

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ること、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、以下に説明する実施の形態及び実施例において、同一部分又は同様の機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments and examples. In the embodiments and examples described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated.

なお、本明細書で説明する各図において、各構成の大きさ、膜の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。 Note that in each drawing described in this specification, the size, the film thickness, or the region of each component is exaggerated for clarity in some cases. Therefore, it is not necessarily limited to the scale.

また、本明細書にて用いる第1、第2等の序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではない。そのため、例えば「第1の」を「第2の」又は「第3の」等を適宜置き換えて説明することができる。 In addition, the first and second ordinal numbers used in this specification are given in order to avoid confusion between components, and are not limited in number. Therefore, for example, “first” can be described by appropriately replacing “second” or “third”.

また、本明細書等において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。 In this specification and the like, a transistor is an element having at least three terminals including a gate, a drain, and a source. The functions of the source and drain may be switched when transistors having different polarities are employed or when the direction of current changes during circuit operation. Therefore, in this specification and the like, the terms source and drain can be used interchangeably.

(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るトランジスタについて図1を用いて説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a transistor according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1(A)および図1(B)は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図1(A)は上面図であり、図1(B)は、図1(A)に示す一点鎖線A1−A2、および一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。なお、図1(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 1A and 1B are a top view and a cross-sectional view of a transistor of one embodiment of the present invention. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view corresponding to a dashed-dotted line A1-A2 and a dashed-dotted line A3-A4 illustrated in FIG. Note that in the top view of FIG. 1A, some elements are omitted for clarity.

図1(A)および図1(B)に示すトランジスタは、基板400と、基板400上の凸部を有する下地絶縁膜402と、下地絶縁膜402の凸部上の酸化物半導体404と、酸化物半導体404の上面および側面と接するソース電極406aおよびドレイン電極406bと、酸化物半導体404上、ソース電極406a上およびドレイン電極406b上のゲート絶縁膜408と、ゲート絶縁膜408の上面に接し、酸化物半導体404の上面および側面に面するゲート電極410と、ソース電極406a上、ドレイン電極406b上およびゲート電極410上の保護絶縁膜412と、を有し、ゲート電極410は、導電膜410aと、導電膜410a上の導電膜410bを含む積層膜で構成されている。なお、下地絶縁膜402は凸部を有さなくてもよい。 1A and 1B includes a substrate 400, a base insulating film 402 having a convex portion over the substrate 400, an oxide semiconductor 404 over the convex portion of the base insulating film 402, and an oxide film. A source electrode 406a and a drain electrode 406b in contact with an upper surface and a side surface of the physical semiconductor 404; a gate insulating film 408 on the oxide semiconductor 404; a source electrode 406a and a drain electrode 406b; and an upper surface of the gate insulating film 408; A gate electrode 410 facing the top and side surfaces of the physical semiconductor 404, and a protective insulating film 412 over the source electrode 406a, the drain electrode 406b, and the gate electrode 410. The gate electrode 410 includes a conductive film 410a, The conductive film 410a is a stacked film including the conductive film 410b. Note that the base insulating film 402 is not necessarily provided with a convex portion.

なお、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なくとも一部(または全部)に設けられている。 Note that at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is at least part (or all) of a surface, a side surface, an upper surface, and / or a lower surface of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404. ).

または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なくとも一部(または全部)と、接している。または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の少なくとも一部(または全部)と、接している。 Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is at least part (or all) of a surface, a side surface, an upper surface, and / or a lower surface of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404. ). Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is in contact with at least part (or all) of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404.

または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なくとも一部(または全部)と、電気的に接続されている。または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の少なくとも一部(または全部)と、電気的に接続されている。 Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is at least part (or all) of a surface, a side surface, an upper surface, and / or a lower surface of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404. ) And are electrically connected. Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is electrically connected to at least part (or all) of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404.

または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なくとも一部(または全部)に、近接して配置されている。または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の少なくとも一部(または全部)に、近接して配置されている。 Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is at least part (or all) of a surface, a side surface, an upper surface, and / or a lower surface of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404. ). Alternatively, at least a part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is disposed in proximity to at least a part (or all) of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404.

または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なくとも一部(または全部)の横側に配置されている。または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の少なくとも一部(または全部)の横側に配置されている。 Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is at least part (or all) of a surface, a side surface, an upper surface, and / or a lower surface of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404. ). Alternatively, at least a part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is disposed on the side of at least a part (or all) of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404.

または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なくとも一部(または全部)の斜め上側に配置されている。または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの少なくとも半導体の一部(または全部)の斜め上側に配置されている。 Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is at least part (or all) of a surface, a side surface, an upper surface, and / or a lower surface of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404. ) Diagonally above. Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406 a (or / and the drain electrode 406 b) is disposed obliquely above at least part (or all) of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404.

または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の、表面、側面、上面、または/および下面の少なくとも一部(または全部)の上側に配置されている。または、ソース電極406a(または/およびドレイン電極406b)の、少なくとも一部(または全部)は、酸化物半導体404などの半導体の少なくとも一部(または全部)の上側に配置されている。 Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406a (or / and the drain electrode 406b) is at least part (or all) of a surface, a side surface, an upper surface, and / or a lower surface of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404. ) Above. Alternatively, at least part (or all) of the source electrode 406 a (or / and the drain electrode 406 b) is disposed above at least part (or all) of a semiconductor such as the oxide semiconductor 404.

基板400は、単なる支持体に限らず、他のトランジスタやキャパシタなどの素子が形成された基板であってもよい。この場合、トランジスタのゲート電極410、ソース電極406a、ドレイン電極406bの少なくとも一つが、上記の他の素子と電気的に接続されていてもよい。 The substrate 400 is not limited to a simple support, and may be a substrate on which other elements such as transistors and capacitors are formed. In this case, at least one of the gate electrode 410, the source electrode 406a, and the drain electrode 406b of the transistor may be electrically connected to the other element.

下地絶縁膜402は、基板400からの不純物の拡散を防止する役割を有するほか、酸化物半導体404に酸素を供給する役割を担うことができる。したがって、下地絶縁膜402は酸素を含む絶縁体であることが好ましい。例えば、化学量論的組成よりも多い酸素を含む絶縁体であることがより好ましい。また、上述のように基板400が他の素子が形成された基板である場合、下地絶縁膜402は、保護絶縁膜としての機能も有する。その場合、下地絶縁膜402の表面が平坦化されていてもよい。例えば、下地絶縁膜402にCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等で平坦化処理を行えばよい。 The base insulating film 402 can serve to prevent diffusion of impurities from the substrate 400 and can also serve to supply oxygen to the oxide semiconductor 404. Therefore, the base insulating film 402 is preferably an insulator containing oxygen. For example, an insulator containing more oxygen than the stoichiometric composition is more preferable. In addition, when the substrate 400 is a substrate over which another element is formed as described above, the base insulating film 402 also has a function as a protective insulating film. In that case, the surface of the base insulating film 402 may be planarized. For example, planarization treatment may be performed on the base insulating film 402 by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like.

図1(B)に示すように、酸化物半導体404をフィン(Fin)形状に形成し、酸化物半導体404をゲート電極410で囲むことで、ゲート電極410の電界は、酸化物半導体404を電気的に囲むことができる(ゲート電極の電界によって、酸化物半導体を電気的に囲むトランジスタの構造を、surrounded channel(s−channel)構造とよぶ。)。s−channel構造は、酸化物半導体404の全体(バルク)にチャネルが形成されるため、高い駆動能力をもち、トランジスタを微細化した際に問題となる、寄生抵抗によるオン電流の低下と、DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)によるリーク電流(オフ電流)の増加を防ぐことができる。そのためs−channel構造は、微細化されたトランジスタに適した構造といえる。例えば、トランジスタのチャネル長を、好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下とし、かつ、フィン幅を、好ましくは40nm以下、さらに好ましくは30nm以下、より好ましくは20nm以下とする。 As illustrated in FIG. 1B, the oxide semiconductor 404 is formed in a fin shape, and the oxide semiconductor 404 is surrounded by the gate electrode 410; (A transistor structure in which an oxide semiconductor is electrically surrounded by an electric field of a gate electrode is referred to as a surrounded channel (s-channel) structure). In the s-channel structure, a channel is formed in the whole (bulk) of the oxide semiconductor 404. Therefore, the s-channel structure has a high driving capability and a problem when a transistor is miniaturized. It is possible to prevent an increase in leakage current (off current) due to (Drain Induced Barrier Lowering). Therefore, it can be said that the s-channel structure is suitable for a miniaturized transistor. For example, the channel length of the transistor is preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and the fin width is preferably 40 nm or less, more preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less. .

なお、チャネル長とは、上面図において、半導体とゲート電極とが重なる領域における、ソース(ソース領域またはソース電極)とドレイン(ドレイン領域またはドレイン電極)との距離をいう。すなわち、図1(A)では、チャネル長は、酸化物半導体404とゲート電極410とが重なる領域における、ソース電極406aとドレイン電極406bとの距離となる。フィン幅とは図1(A)および図1(B)で示した酸化物半導体404の幅wの長さをいう。 Note that the channel length refers to a distance between a source (a source region or a source electrode) and a drain (a drain region or a drain electrode) in a region where the semiconductor and the gate electrode overlap with each other in the top view. That is, in FIG. 1A, the channel length is a distance between the source electrode 406a and the drain electrode 406b in a region where the oxide semiconductor 404 and the gate electrode 410 overlap with each other. The fin width refers to the width w of the oxide semiconductor 404 illustrated in FIGS.

また、フィン形状とは図1(B)に示した酸化物半導体404の高さhが、図1(B)に示した酸化物半導体404の幅w以上の形状をいう。 The fin shape refers to a shape in which the height h of the oxide semiconductor 404 illustrated in FIG. 1B is greater than or equal to the width w of the oxide semiconductor 404 illustrated in FIG.

s−channel構造のトランジスタにおいて、より高いオン電流を望む場合、酸化物半導体404の高さhをより高くする必要がある。しかし、高さhを高くするほど、下地絶縁膜402から供給される酸素を、酸化物半導体404全体に行き渡らせることが難しくなり、酸化物半導体404に酸素欠損が発生する。酸素欠損はトランジスタの電気特性を変動させる原因となる。 In a transistor with an s-channel structure, when a higher on-state current is desired, the height h of the oxide semiconductor 404 needs to be higher. However, the higher the height h, the more difficult it is for oxygen supplied from the base insulating film 402 to be distributed throughout the oxide semiconductor 404, so that oxygen vacancies are generated in the oxide semiconductor 404. Oxygen deficiency causes the electrical characteristics of the transistor to fluctuate.

本実施の形態では、ゲート電極410に酸素供給能力を与えることで、上述の問題を解決する方法を示す。下地絶縁膜402以外に、ゲート電極410が酸素供給能力を持つことで、高さhを高くしても、酸化物半導体404全体に酸素を供給することが可能になり、トランジスタのオン電流向上および動作の安定化を両立させることができる。以下にその詳細を説明する。 In this embodiment mode, a method for solving the above-described problem by providing the gate electrode 410 with an oxygen supply capability will be described. In addition to the base insulating film 402, the gate electrode 410 has an oxygen supply capability, so that oxygen can be supplied to the entire oxide semiconductor 404 even when the height h is increased. It is possible to achieve both stable operation. Details will be described below.

ゲート電極410の導電膜410aは酸素を含む導電膜であり、ゲート絶縁膜408よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質からなる。即ち、導電膜410aはゲート絶縁膜408よりも還元しやすい性質を有する。言い換えると、導電膜410aはゲート絶縁膜408よりも酸化しにくい性質を有する。導電膜410aの膜厚は、好ましくは5nm以上、100nm以下、より好ましくは10nm以上、50nm以下、さらに好ましくは10nm以上、30nm以下である。 The conductive film 410a of the gate electrode 410 is a conductive film containing oxygen and is made of a material having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the gate insulating film 408. That is, the conductive film 410a has a property of being more easily reduced than the gate insulating film 408. In other words, the conductive film 410 a has a property that it is less likely to be oxidized than the gate insulating film 408. The thickness of the conductive film 410a is preferably 5 nm to 100 nm, more preferably 10 nm to 50 nm, and still more preferably 10 nm to 30 nm.

ゲート電極410の導電膜410bは、導電膜410aよりも導電率が高い物質からなる。また、導電膜410bは、導電膜410aとくらべて、酸化反応のギブス自由エネルギーが同程度またはそれ以上に高い物質を用いることが好ましい。言い換えると、導電膜410bは、導電膜410aとくらべて、同程度またはそれ以上に酸化しにくい性質を有することが好ましい。導電膜410bの膜厚は、好ましくは10nm以上、200nm以下、より好ましくは30nm以上、100nm以下である。 The conductive film 410b of the gate electrode 410 is made of a material having higher conductivity than the conductive film 410a. In addition, the conductive film 410b is preferably formed using a material having a Gibbs free energy for oxidation reaction that is equal to or higher than that of the conductive film 410a. In other words, the conductive film 410b preferably has a property that the conductive film 410b is less likely to be oxidized than the conductive film 410a. The thickness of the conductive film 410b is preferably 10 nm to 200 nm, more preferably 30 nm to 100 nm.

ゲート絶縁膜408は酸素透過性を有する。酸素透過性を有する膜とは、酸素分子を透過する膜、または酸素原子の拡散係数が十分高く、作製工程上の加熱処理などにより、酸素原子が透過する膜をいう。例えば、酸素分子を透過する膜は、酸素分子が透過可能な程度に低密度であればよい。具体的には、膜密度が3.2g/cm未満であればよい。また、酸素原子が透過する膜は、ゲート絶縁膜408の厚さにもよるが、150℃以上450℃以下における酸素原子の拡散係数が3×10−16cm/秒以上、好ましくは1×10−15cm/秒以上、さらに好ましくは8×10−15cm/秒以上であればよい。 The gate insulating film 408 has oxygen permeability. A film having oxygen permeability refers to a film that transmits oxygen molecules or a film that has a sufficiently high diffusion coefficient of oxygen atoms and allows oxygen atoms to pass through heat treatment or the like in a manufacturing process. For example, a film that transmits oxygen molecules may have a low density that allows oxygen molecules to pass through. Specifically, the film density may be less than 3.2 g / cm 3 . In addition, a film through which oxygen atoms permeate has a diffusion coefficient of oxygen atoms at 150 ° C. to 450 ° C. of 3 × 10 −16 cm 2 / sec or more, preferably 1 ×, although it depends on the thickness of the gate insulating film 408. It may be 10 −15 cm 2 / second or more, more preferably 8 × 10 −15 cm 2 / second or more.

酸素を含む導電膜410aは、ゲート絶縁膜408よりも還元しやすい物質で構成されているため、加熱処理を施すと、導電膜410aが還元する。その結果、導電膜410aは酸素を放出する。このとき、導電膜410bが導電膜410aから放出された酸素を奪うことはなく、奪ったとしても極めて微量である。導電膜410aから放出される酸素は、ゲート絶縁膜408を透過し、酸化物半導体404に到達することができる。 Since the conductive film 410a containing oxygen is formed using a substance that is more easily reduced than the gate insulating film 408, the conductive film 410a is reduced when heat treatment is performed. As a result, the conductive film 410a releases oxygen. At this time, the conductive film 410b does not deprive oxygen released from the conductive film 410a, and even if deprived, the amount is extremely small. Oxygen released from the conductive film 410 a can pass through the gate insulating film 408 and reach the oxide semiconductor 404.

なお加熱処理とは、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。 Note that the heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or a reduced pressure state.

以上のようなゲート電極410およびゲート絶縁膜408を用いることにより、ゲート電極410からゲート絶縁膜408を介して酸化物半導体404に酸素を供給することができる。 By using the gate electrode 410 and the gate insulating film 408 as described above, oxygen can be supplied from the gate electrode 410 to the oxide semiconductor 404 through the gate insulating film 408.

参考として、図14に各元素の酸化反応のギブス自由エネルギーを示す。図14の横軸は温度[℃]であり、縦軸はギブス自由エネルギー(ΔG[kJ/mol])である。図14に示す酸化反応のギブス自由エネルギーは、以下の計算によって求めたものである。まず、表1に示す各物質における標準生成エンタルピーΔHおよび標準エントロピーSの値を用いて、表2に示す各酸化反応の式に代入することで、各酸化反応における標準生成エンタルピーΔHおよび標準生成エントロピーΔSの値を算出する。表2に、算出した各酸化反応における標準生成エンタルピーΔHおよび標準生成エントロピーΔSの値を示す。なお、表1に示す各物質における標準生成エンタルピーΔHおよび標準エントロピーSの値は、主として日本化学会編「化学便覧基礎編II改訂4版、丸善株式会社」から引用したものである。 For reference, FIG. 14 shows the Gibbs free energy of the oxidation reaction of each element. The horizontal axis of FIG. 14 is temperature [° C.], and the vertical axis is Gibbs free energy (ΔG [kJ / mol]). The Gibbs free energy of the oxidation reaction shown in FIG. 14 is obtained by the following calculation. First, by using the values of standard production enthalpy ΔH and standard entropy S in each substance shown in Table 1 and substituting them into the formulas of each oxidation reaction shown in Table 2, standard production enthalpy ΔH and standard production entropy in each oxidation reaction The value of ΔS is calculated. Table 2 shows the calculated standard production enthalpy ΔH and standard production entropy ΔS in each oxidation reaction. The values of standard generation enthalpy ΔH and standard entropy S for each substance shown in Table 1 are mainly quoted from “Chemical Handbook Basic Edition II Revised 4th Edition, Maruzen Co., Ltd.” edited by the Chemical Society of Japan.

次に、表2に示す標準生成エンタルピーΔHおよび標準生成エントロピーΔSの値を下記の数式(1)に代入して、温度が0℃以上900℃以下の範囲における各酸化反応のギブス自由エネルギーの値を算出した。なお、数式(1)のTは、温度[K]である。 Next, the values of the standard production enthalpy ΔH and the standard production entropy ΔS shown in Table 2 are substituted into the following formula (1), and the Gibbs free energy values of the respective oxidation reactions in the temperature range of 0 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. Was calculated. Note that T in Equation (1) is the temperature [K].

図14より、例えば、導電膜410aは、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、白金および金から選ばれた一種以上の元素を含む酸化物からなる層を用いればよい。当該元素を含む酸化物は、酸化反応のギブス自由エネルギーが高いため、自身は還元しやすく、かつ接する膜を酸化しやすい。なお、導電率が高いため、ルテニウムまたはイリジウムを含む酸化物を用いると好ましい。ルテニウムまたはイリジウムを含む酸化物の一例としては、RuO(Xは0.5以上4以下)、IrO(Xは0.5以上4以下)、SrRuO(Xは1以上5以下)などが挙げられる。 From FIG. 14, for example, the conductive film 410a may be a layer formed of an oxide containing one or more elements selected from silver, copper, ruthenium, iridium, platinum, and gold. Since the oxide containing the element has high Gibbs free energy for the oxidation reaction, the oxide itself is easily reduced and the film in contact with the oxide is easily oxidized. Note that an oxide containing ruthenium or iridium is preferably used because of high conductivity. Examples of the oxide containing ruthenium or iridium include RuO X (X is 0.5 or more and 4 or less), IrO X (X is 0.5 or more and 4 or less), SrRuO X (X is 1 or more and 5 or less), and the like. Can be mentioned.

導電膜410bは、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、タングステン、白金および金から選ばれた一種以上の元素、または金属窒化物を含む層とする。導電膜410bは導電性を向上させるために多層にしてもよく、その場合、導電膜410aと接しない層は、上述した元素および金属窒化物を含まなくてもよい。 The conductive film 410b is a layer containing one or more elements selected from silver, copper, ruthenium, iridium, molybdenum, tungsten, platinum, and gold, or a metal nitride. The conductive film 410b may have a multilayer structure in order to improve conductivity. In that case, the layer that is not in contact with the conductive film 410a may not contain the above-described element and metal nitride.

ゲート絶縁膜408は酸化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウムおよび酸化タンタルを含む絶縁体から一種以上選択して、単層または積層して用いればよい。 The gate insulating film 408 is selected from one or more insulators including silicon oxide, silicon oxynitride, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, and tantalum oxide, and is used as a single layer or a stacked layer. That's fine.

図1(C)は加熱処理を施して、導電膜410aを還元させた後の状態を示している。 FIG. 1C shows a state after the heat treatment is performed to reduce the conductive film 410a.

図1(C)に示すゲート電極411は、下から順に積層された導電膜411a、導電膜411b及び導電膜411cを含む。図1(C)において、ゲート電極411以外の構成は、図1(B)と同一である。 A gate electrode 411 illustrated in FIG. 1C includes a conductive film 411a, a conductive film 411b, and a conductive film 411c which are sequentially stacked from the bottom. In FIG. 1C, structures other than the gate electrode 411 are the same as those in FIG.

導電膜411aは、導電膜411bよりも酸素濃度が低い層であり、導電膜411cは、導電膜411aおよび導電膜411bよりも導電率が高い層である。 The conductive film 411a is a layer having a lower oxygen concentration than the conductive film 411b, and the conductive film 411c is a layer having higher conductivity than the conductive films 411a and 411b.

図1(B)に示した導電膜410aは、加熱処理を施すことで、ゲート絶縁膜408近傍の領域が還元され、導電膜410aよりも酸素濃度が低減された導電膜411aと、導電膜410aと同程度の酸素濃度を有する導電膜411bへと変化する。導電膜410bは特に変化しないまま導電膜411cになる。 The conductive film 410a illustrated in FIG. 1B is subjected to heat treatment so that a region in the vicinity of the gate insulating film 408 is reduced, and a conductive film 411a in which an oxygen concentration is lower than that of the conductive film 410a and the conductive film 410a. It changes to the conductive film 411b having the same oxygen concentration. The conductive film 410b becomes a conductive film 411c with no particular change.

導電膜411aの膜厚は、好ましくは1nm以上、50nm以下、より好ましくは1nm以上、30nm以下、さらに好ましくは1nm以上、15nm以下である。 The thickness of the conductive film 411a is preferably 1 nm or more and 50 nm or less, more preferably 1 nm or more and 30 nm or less, and further preferably 1 nm or more and 15 nm or less.

導電膜411bの膜厚は、好ましくは1nm以上、100nm以下、より好ましくは1nm以上、50nm以下、さらに好ましくは1nm以上、30nm以下である。 The thickness of the conductive film 411b is preferably 1 nm to 100 nm, more preferably 1 nm to 50 nm, and still more preferably 1 nm to 30 nm.

導電膜411cの膜厚については、導電膜410bの膜厚に関する記載を参照すればよい。 For the thickness of the conductive film 411c, the description relating to the thickness of the conductive film 410b may be referred to.

なお、加熱処理の条件によって、導電膜410aのすべての領域が導電膜411aへと変化する場合もある。つまり、加熱処理によって、導電膜411bが形成されない場合もある。 Note that depending on the conditions of the heat treatment, the entire region of the conductive film 410a may be changed to the conductive film 411a. That is, the conductive film 411b may not be formed by heat treatment.

ゲート電極411の導電膜411aとして、イリジウム、白金、酸化ルテニウム、金など、仕事関数が5eV、好ましくは5.2eVを超えるような物質を用いると、仕事関数の4.7eV以下の物質を用いた場合と比べ、NMOSトランジスタのしきい値電圧をプラス方向にシフトさせることができて好ましい。 As the conductive film 411a of the gate electrode 411, a material having a work function of 5 eV, preferably more than 5.2 eV, such as iridium, platinum, ruthenium oxide, or gold, is used. Compared to the case, the threshold voltage of the NMOS transistor can be shifted in the positive direction, which is preferable.

図1に示すソース電極406aおよびドレイン電極406bには、酸化物半導体から酸素を引き抜く性質を有する導電膜を用いると好ましい。例えば、酸化物半導体から酸素を引き抜く性質を有する導電膜として、アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、モリブデン、タンタル、タングステンなどを含む導電膜が挙げられる。 For the source electrode 406a and the drain electrode 406b illustrated in FIGS. 1A and 1B, a conductive film having a property of extracting oxygen from an oxide semiconductor is preferably used. For example, as a conductive film having a property of extracting oxygen from an oxide semiconductor, a conductive film containing aluminum, titanium, chromium, nickel, molybdenum, tantalum, tungsten, or the like can be given.

酸化物半導体から酸素を引き抜く性質を有する導電膜の作用により、酸化物半導体中の酸素が脱離し、酸化物半導体中に酸素欠損を形成する場合がある。酸素の引き抜きは、高い温度で加熱するほど起こりやすい。トランジスタの作製工程には、いくつかの加熱工程があることから、酸化物半導体のソース電極またはドレイン電極と接触した近傍の領域には酸素欠損が形成される可能性が高い。また、加熱により該酸素欠損のサイトに水素が入りこみ、酸化物半導体がn型化する場合がある。したがって、ソース電極およびドレイン電極の作用により、酸化物半導体と、ソース電極またはドレイン電極と、が接する領域を低抵抗化させ、トランジスタのオン抵抗を低減することができる。 In some cases, oxygen in the oxide semiconductor is released by the action of the conductive film having a property of extracting oxygen from the oxide semiconductor, so that an oxygen vacancy is formed in the oxide semiconductor. The extraction of oxygen is more likely to occur as the temperature is higher. Since there are several heating steps in the manufacturing process of the transistor, there is a high possibility that oxygen vacancies are formed in a region in contact with the source electrode or the drain electrode of the oxide semiconductor. In addition, hydrogen may enter the oxygen deficient site by heating, so that the oxide semiconductor becomes n-type. Therefore, by the action of the source electrode and the drain electrode, the resistance of the region where the oxide semiconductor is in contact with the source electrode or the drain electrode can be reduced, so that the on-resistance of the transistor can be reduced.

なお、チャネル長が小さい(例えば200nm以下、または100nm以下)トランジスタを作製する場合、n型化領域の形成によってソースードレイン間が短絡してしまうことがある。そのため、チャネル長が小さいトランジスタを形成する場合は、ソース電極およびドレイン電極に酸化物半導体から適度に酸素を引き抜く性質を有する導電膜を用いればよい。適度に酸素を引き抜く性質を有する導電膜としては、例えば、ニッケル、モリブデンまたはタングステンを含む導電膜などがある。 Note that in the case where a transistor with a small channel length (for example, 200 nm or less or 100 nm or less) is manufactured, the source and the drain may be short-circuited due to formation of the n-type region. Therefore, in the case of forming a transistor with a small channel length, a conductive film having a property of appropriately extracting oxygen from an oxide semiconductor may be used for a source electrode and a drain electrode. Examples of the conductive film having a property of appropriately extracting oxygen include a conductive film containing nickel, molybdenum, or tungsten.

また、チャネル長がごく小さい(40nm以下、または30nm以下)トランジスタを作製する場合、ソース電極406aおよびドレイン電極406bとして、酸化物半導体からほとんど酸素を引き抜くことのない導電膜を用いればよい。酸化物半導体からほとんど酸素を引き抜くことのない導電膜としては、例えば、窒化タンタル、窒化チタン、またはルテニウムを含む導電膜などがある。なお、複数種の導電膜を積層しても構わない。 In the case of manufacturing a transistor with a very small channel length (40 nm or less or 30 nm or less), a conductive film that hardly extracts oxygen from an oxide semiconductor may be used as the source electrode 406a and the drain electrode 406b. Examples of the conductive film that hardly extracts oxygen from the oxide semiconductor include a conductive film containing tantalum nitride, titanium nitride, or ruthenium. Note that a plurality of types of conductive films may be stacked.

保護絶縁膜412は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上の材料を含む絶縁体を用いることができる。特に、酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物及び酸素の双方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果が高く、保護絶縁膜412に適用するのに好ましい。酸素を遮断する保護絶縁膜412が導電膜410aの側面と接することで、導電膜410aを還元する際に、導電膜410aの側面から酸素が漏れるのを防ぐことができ、酸化物半導体404に効果的に酸素供給できる。 The protective insulating film 412 is formed using aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, or the like. An insulator containing one or more materials selected from the above can be used. In particular, an aluminum oxide film has a high blocking effect that prevents the film from permeating both impurities such as hydrogen and moisture, and oxygen, and is preferable for application to the protective insulating film 412. When the protective insulating film 412 that blocks oxygen is in contact with the side surface of the conductive film 410a, oxygen can be prevented from leaking from the side surface of the conductive film 410a when the conductive film 410a is reduced. Oxygen can be supplied.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。 The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.

(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で示した酸化物半導体404について、詳細な説明を行う。
(Embodiment 2)
In this embodiment, the oxide semiconductor 404 described in Embodiment 1 will be described in detail.

酸化物半導体404は、インジウムを含む酸化物である。酸化物は、例えば、インジウムを含むと、キャリア移動度(電子移動度)が高くなる。また、酸化物半導体404は、元素Mを含むと好ましい。元素Mとして、例えば、アルミニウム、ガリウム、イットリウムまたはスズなどがある。元素Mは、例えば、酸素との結合エネルギーが高い元素である。元素Mは、例えば、酸化物のエネルギーギャップを大きくする機能を有する元素である。また、酸化物半導体404は、亜鉛を含むと好ましい。酸化物が亜鉛を含むと、例えば、酸化物を結晶化しやすくなる。酸化物の価電子帯上端のエネルギーは、例えば、亜鉛の原子数比によって制御できる。 The oxide semiconductor 404 is an oxide containing indium. For example, when the oxide contains indium, the carrier mobility (electron mobility) increases. The oxide semiconductor 404 preferably contains the element M. Examples of the element M include aluminum, gallium, yttrium, and tin. The element M is an element having a high binding energy with oxygen, for example. The element M is an element having a function of increasing the energy gap of the oxide, for example. The oxide semiconductor 404 preferably contains zinc. When the oxide contains zinc, for example, the oxide is easily crystallized. The energy at the upper end of the valence band of the oxide can be controlled by, for example, the atomic ratio of zinc.

ただし、酸化物半導体404は、インジウムを含む酸化物に限定されない。酸化物半導体404は、例えば、Zn−Sn酸化物、Ga−Sn酸化物であっても構わない。 Note that the oxide semiconductor 404 is not limited to an oxide containing indium. The oxide semiconductor 404 may be, for example, a Zn—Sn oxide or a Ga—Sn oxide.

また酸化物半導体404は、エネルギーギャップが大きい酸化物を用いる。酸化物半導体404のエネルギーギャップは、例えば、2.5eV以上4.2eV以下、好ましくは2.8eV以上3.8eV以下、さらに好ましくは3eV以上3.5eV以下とする。 For the oxide semiconductor 404, an oxide with a wide energy gap is used. The energy gap of the oxide semiconductor 404 is, for example, 2.5 eV to 4.2 eV, preferably 2.8 eV to 3.8 eV, and more preferably 3 eV to 3.5 eV.

酸化物半導体404は、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、熱CVD法またはPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法を含む)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法またはPLD(Pulsed Laser Deposition)法を用いて成膜するとよい。特に、MOCVD法、ALD法または熱CVD法を用いると、プラズマを使わないため酸化物半導体404にダメージを与えにくい。その結果、トランジスタのオフ状態のリーク電流を低く抑えることができるので好ましい。 The oxide semiconductor 404 is formed by a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Deposition) method, an ALD (Atomic Layer Deposition Method), a thermal CVD method, or a PECVD (Plasma Deposition Method). ), MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or PLD (Pulsed Laser Deposition) method. In particular, when the MOCVD method, the ALD method, or the thermal CVD method is used, the oxide semiconductor 404 is hardly damaged because plasma is not used. As a result, the leakage current in the off state of the transistor can be suppressed low, which is preferable.

例えば、熱CVD法で酸化物半導体InGaZnO(X>0)膜を成膜する場合には、トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、及びジメチル亜鉛を用いる。なお、トリメチルインジウムの化学式は、In(CHである。また、トリメチルガリウムの化学式は、Ga(CHである。また、ジメチル亜鉛の化学式は、(CHZnである。また、これらの組み合わせに限定されず、トリメチルガリウムに代えてトリエチルガリウム(化学式Ga(C)を用いることもでき、ジメチル亜鉛に代えてジエチル亜鉛(化学式(CZn)を用いることもできる。 For example, when an oxide semiconductor InGaZnO x (X> 0) film is formed by a thermal CVD method, trimethylindium, trimethylgallium, and dimethylzinc are used. Note that the chemical formula of trimethylindium is In (CH 3 ) 3 . The chemical formula of trimethylgallium is Ga (CH 3 ) 3 . The chemical formula of dimethylzinc is (CH 3 ) 2 Zn. The invention is not limited to these combinations, in place of trimethyl gallium can also be used triethyl gallium (chemical formula Ga (C 2 H 5) 3 ), diethyl zinc (Formula instead of dimethylzinc (C 2 H 5) 2 Zn) can also be used.

例えば、ALD法で、酸化物半導体InGaZnO(X>0)膜を成膜する場合には、In(CHガスとOガスを順次繰り返し導入してInO層を形成し、その後、Ga(CHガスとOガスを同時に導入してGaO層を形成し、更にその後(CHZnとOガスを同時に導入してZnO層を形成する。なお、これらの層の順番はこの例に限らない。また、これらのガスを混ぜてInGaO層やInZnO層、GaInO層、ZnInO層、GaZnO層などの混合化合物層を形成しても良い。なお、Oガスに変えてAr等の不活性ガスでバブリングしたHOガスを用いても良いが、Hを含まないOガスを用いる方が好ましい。また、In(CHガスにかえて、In(Cガスやトリス(アセチルアセトナト)インジウムを用いても良い。なお、トリス(アセチルアセトナト)インジウムは、In(acac)とも呼ぶ。また、Ga(CHガスにかえて、Ga(Cガスやトリス(アセチルアセトナト)ガリウムを用いても良い。なお、トリス(アセチルアセトナト)ガリウムは、Ga(acac)とも呼ぶ。また、In(CHガスにかえて、In(Cガスを用いても良い。また、(CHZnガスや、酢酸亜鉛を用いても良い。これらのガス種には限定されない。 For example, in the case of forming an oxide semiconductor InGaZnO X (X> 0) film by an ALD method, an In (CH 3 ) 3 gas and an O 3 gas are sequentially introduced to form an InO 2 layer, and then , Ga (CH 3 ) 3 gas and O 3 gas are simultaneously introduced to form a GaO layer, and then (CH 3 ) 2 Zn and O 3 gas are simultaneously introduced to form a ZnO layer. Note that the order of these layers is not limited to this example. Alternatively, a mixed compound layer such as an InGaO 2 layer, an InZnO 2 layer, a GaInO layer, a ZnInO layer, or a GaZnO layer may be formed by mixing these gases. Incidentally, O 3 may be used bubbled with the H 2 O gas in place of the gas with an inert gas such as Ar, but better to use an O 3 gas containing no H are preferred. Further, In (C 2 H 5 ) 3 gas or tris (acetylacetonato) indium may be used instead of In (CH 3 ) 3 gas. Tris (acetylacetonato) indium is also called In (acac) 3 . Further, Ga (C 2 H 5 ) 3 gas or tris (acetylacetonato) gallium may be used instead of Ga (CH 3 ) 3 gas. Tris (acetylacetonato) gallium is also called Ga (acac) 3 . Further, In (C 2 H 5 ) 3 gas may be used instead of In (CH 3 ) 3 gas. Further, (CH 3 ) 2 Zn gas or zinc acetate may be used. It is not limited to these gas types.

酸化物半導体404をスパッタリング法で成膜する場合、パーティクル数低減のため、インジウムを含むターゲットを用いると好ましい。また、元素Mの原子数比が高い酸化物ターゲットを用いた場合、ターゲットの導電性が低くなる場合がある。インジウムを含むターゲットを用いる場合、ターゲットの導電率を高めることができ、DC放電、AC放電が容易となるため、大面積の基板へ対応しやすくなる。したがって、半導体装置の生産性を高めることができる。 In the case where the oxide semiconductor 404 is formed by a sputtering method, a target containing indium is preferably used in order to reduce the number of particles. Further, when an oxide target having a high atomic ratio of the element M is used, the conductivity of the target may be lowered. In the case of using a target containing indium, the conductivity of the target can be increased, and DC discharge and AC discharge are facilitated, so that it is easy to deal with a large-area substrate. Therefore, the productivity of the semiconductor device can be increased.

酸化物半導体404をスパッタリング法で成膜する場合、ターゲットの原子数比は、In:M:Znが3:1:1、3:1:2、3:1:4、1:1:0.5、1:1:1、1:1:2、1:4:4、などとすればよい。 In the case where the oxide semiconductor 404 is formed by a sputtering method, the atomic ratio of the target is 3: 1: 1, 3: 1: 2, 3: 1: 4, 1: 1: 0. 5, 1: 1: 1, 1: 1: 2, 1: 4: 4, etc.

酸化物半導体404をスパッタリング法で成膜する場合、ターゲットの原子数比からずれた原子数比の膜が形成される場合がある。特に、亜鉛は、ターゲットの原子数比よりも膜の原子数比が小さくなる場合がある。具体的には、ターゲットに含まれる亜鉛の原子数比の40atomic%以上90atomic%程度以下となる場合がある。 In the case where the oxide semiconductor 404 is formed by a sputtering method, a film with an atomic ratio that deviates from the atomic ratio of the target may be formed. In particular, zinc may have a film atomic ratio smaller than the target atomic ratio. Specifically, the atomic ratio of zinc contained in the target may be 40 atomic% or more and 90 atomic% or less.

以下では、酸化物半導体404中における不純物の影響について説明する。なお、トランジスタの電気特性を安定にするためには、酸化物半導体404中の不純物濃度を低減し、低キャリア密度化および高純度化することが有効である。なお、酸化物半導体404のキャリア密度は、1×1017個/cm未満、1×1015個/cm未満、または1×1013個/cm未満とする。酸化物半導体404中の不純物濃度を低減するためには、近接する膜中の不純物濃度も低減することが好ましい。 Hereinafter, effects of impurities in the oxide semiconductor 404 are described. Note that in order to stabilize the electrical characteristics of the transistor, it is effective to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor 404 to reduce carrier density and purity. Note that the carrier density of the oxide semiconductor 404 is less than 1 × 10 17 pieces / cm 3, less than 1 × 10 15 pieces / cm 3 , or less than 1 × 10 13 pieces / cm 3 . In order to reduce the impurity concentration in the oxide semiconductor 404, it is preferable to reduce the impurity concentration in an adjacent film.

例えば、酸化物半導体404中のシリコンは、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。そのため、酸化物半導体404と下地絶縁膜402との間におけるシリコン濃度を、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)において、1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm未満とする。また、酸化物半導体404とゲート絶縁膜408との間におけるシリコン濃度を、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm未満とする。 For example, silicon in the oxide semiconductor 404 might serve as a carrier trap or a carrier generation source. Therefore, the silicon concentration between the oxide semiconductor 404 and the base insulating film 402 is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 8 in secondary ion mass spectrometry (SIMS). It is less than 18 atoms / cm 3 , more preferably less than 2 × 10 18 atoms / cm 3 . The silicon concentration between the oxide semiconductor 404 and the gate insulating film 408 is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , more preferably 2 × 10 in SIMS. It should be less than 18 atoms / cm 3 .

また、酸化物半導体404中に水素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。酸化物半導体404の水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体404中に窒素が含まれると、キャリア密度を増大させてしまう場合がある。酸化物半導体404の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 Further, when hydrogen is contained in the oxide semiconductor 404, the carrier density may be increased. The hydrogen concentration of the oxide semiconductor 404 is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 or less in SIMS. × 10 18 atoms / cm 3 or less. In addition, when nitrogen is contained in the oxide semiconductor 404, the carrier density may be increased. The nitrogen concentration of the oxide semiconductor 404 in SIMS is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, further preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体404の水素濃度を低減するために、下地絶縁膜402の水素濃度を低減すると好ましい。下地絶縁膜402の水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体404の窒素濃度を低減するために、下地絶縁膜402の窒素濃度を低減すると好ましい。下地絶縁膜402の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In order to reduce the hydrogen concentration of the oxide semiconductor 404, it is preferable to reduce the hydrogen concentration of the base insulating film 402. The hydrogen concentration of the base insulating film 402 is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 or less in SIMS. × 10 18 atoms / cm 3 or less. In order to reduce the nitrogen concentration in the oxide semiconductor 404, it is preferable to reduce the nitrogen concentration in the base insulating film 402. The nitrogen concentration of the base insulating film 402 is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably SIMS. 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

また、酸化物半導体404の水素濃度を低減するために、ゲート絶縁膜408の水素濃度を低減すると好ましい。ゲート絶縁膜408の水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体404の窒素濃度を低減するために、ゲート絶縁膜408の窒素濃度を低減すると好ましい。ゲート絶縁膜408の窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 It is preferable to reduce the hydrogen concentration in the gate insulating film 408 in order to reduce the hydrogen concentration in the oxide semiconductor 404. The hydrogen concentration of the gate insulating film 408 is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 5 or less in SIMS. × 10 18 atoms / cm 3 or less. In order to reduce the nitrogen concentration of the oxide semiconductor 404, it is preferable to reduce the nitrogen concentration of the gate insulating film 408. The nitrogen concentration of the gate insulating film 408 is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably SIMS, in SIMS. 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

以下では、酸化物半導体404に適用可能な酸化物半導体の構造について説明する。 The structure of an oxide semiconductor that can be used for the oxide semiconductor 404 is described below.

本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。従って、85°以上95°以下の場合も含まれる。 In this specification, “parallel” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of −10 ° to 10 °. Therefore, the case of −5 ° to 5 ° is also included. “Vertical” refers to a state in which two straight lines are arranged at an angle of 80 ° to 100 °. Therefore, the case of 85 ° to 95 ° is also included.

また、本明細書において、結晶が三方晶または菱面体晶である場合、六方晶系として表す。 In this specification, when a crystal is trigonal or rhombohedral, it is represented as a hexagonal system.

酸化物半導体膜は、非単結晶酸化物半導体膜と単結晶酸化物半導体膜とに大別される。非単結晶酸化物半導体膜とは、CAAC−OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)膜、多結晶酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、非晶質酸化物半導体膜などをいう。 An oxide semiconductor film is roughly classified into a non-single-crystal oxide semiconductor film and a single-crystal oxide semiconductor film. The non-single-crystal oxide semiconductor film refers to a CAAC-OS (C Axis Crystalline Oxide Semiconductor) film, a polycrystalline oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, an amorphous oxide semiconductor film, or the like.

まずは、CAAC−OS膜について説明する。 First, the CAAC-OS film is described.

CAAC−OS膜は、c軸配向した複数の結晶部を有する酸化物半導体膜の一つである。 The CAAC-OS film is one of oxide semiconductor films having a plurality of c-axis aligned crystal parts.

透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)によって、CAAC−OS膜の明視野像および回折パターンの複合解析像(高分解能TEM像ともいう。)を観察することで複数の結晶部を確認することができる。一方、高分解能TEM像によっても明確な結晶部同士の境界、即ち結晶粒界(グレインバウンダリーともいう。)を確認することができない。そのため、CAAC−OS膜は、結晶粒界に起因する電子移動度の低下が起こりにくいといえる。 Confirming a plurality of crystal parts by observing a bright field image of a CAAC-OS film and a combined analysis image (also referred to as a high-resolution TEM image) of a CAAC-OS film with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope). Can do. On the other hand, a clear boundary between crystal parts, that is, a crystal grain boundary (also referred to as a grain boundary) cannot be confirmed even by a high-resolution TEM image. Therefore, it can be said that the CAAC-OS film is unlikely to decrease in electron mobility due to crystal grain boundaries.

試料面と概略平行な方向から、CAAC−OS膜の断面の高分解能TEM像を観察すると、結晶部において、金属原子が層状に配列していることを確認できる。金属原子の各層は、CAAC−OS膜の膜を形成する面(被形成面ともいう。)または上面の凹凸を反映した形状であり、CAAC−OS膜の被形成面または上面と平行に配列する。 When a high-resolution TEM image of a cross section of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially parallel to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in layers in the crystal part. Each layer of metal atoms has a shape reflecting unevenness of a surface (also referred to as a formation surface) or an upper surface on which the CAAC-OS film is formed, and is arranged in parallel with the formation surface or the upper surface of the CAAC-OS film. .

一方、試料面と概略垂直な方向から、CAAC−OS膜の平面の高分解能TEM像を観察すると、結晶部において、金属原子が三角形状または六角形状に配列していることを確認できる。しかしながら、異なる結晶部間で、金属原子の配列に規則性は見られない。 On the other hand, when a high-resolution TEM image of the plane of the CAAC-OS film is observed from a direction substantially perpendicular to the sample surface, it can be confirmed that metal atoms are arranged in a triangular shape or a hexagonal shape in the crystal part. However, there is no regularity in the arrangement of metal atoms between different crystal parts.

なお、CAAC−OS膜に対し、電子回折を行うと、配向性を示すスポット(輝点)が観測される。例えば、CAAC−OS膜の上面に対し、例えば1nm以上30nm以下の電子線を用いる電子回折(ナノビーム電子回折ともいう。)を行うと、スポットが観測される(図17(A)参照。)。 Note that when electron diffraction is performed on the CAAC-OS film, spots (bright spots) indicating orientation are observed. For example, when electron diffraction (also referred to as nanobeam electron diffraction) using an electron beam of 1 nm to 30 nm is performed on the top surface of the CAAC-OS film, spots are observed (see FIG. 17A).

断面の高分解能TEM像および平面の高分解能TEM像より、CAAC−OS膜の結晶部は配向性を有していることがわかる。 From the high-resolution TEM image of the cross section and the high-resolution TEM image of the plane, it is found that the crystal part of the CAAC-OS film has orientation.

なお、CAAC−OS膜に含まれるほとんどの結晶部は、一辺が100nm未満の立方体内に収まる大きさである。従って、CAAC−OS膜に含まれる結晶部は、一辺が10nm未満、5nm未満または3nm未満の立方体内に収まる大きさの場合も含まれる。ただし、CAAC−OS膜に含まれる複数の結晶部が連結することで、一つの大きな結晶領域を形成する場合がある。例えば、平面の高分解能TEM像において、2500nm以上、5μm以上または1000μm以上となる結晶領域が観察される場合がある。 Note that most crystal parts included in the CAAC-OS film fit in a cube whose one side is less than 100 nm. Therefore, the case where a crystal part included in the CAAC-OS film fits in a cube whose one side is less than 10 nm, less than 5 nm, or less than 3 nm is included. Note that a plurality of crystal parts included in the CAAC-OS film may be connected to form one large crystal region. For example, in a planar high-resolution TEM image, a crystal region having a thickness of 2500 nm 2 or more, 5 μm 2 or more, or 1000 μm 2 or more may be observed.

CAAC−OS膜に対し、X線回折(XRD:X−Ray Diffraction)装置を用いて構造解析を行うと、例えばInGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、回折角(2θ)が31°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(009)面に帰属されることから、CAAC−OS膜の結晶がc軸配向性を有し、c軸が被形成面または上面に概略垂直な方向を向いていることが確認できる。 When structural analysis is performed on a CAAC-OS film using an X-ray diffraction (XRD) apparatus, for example, in the analysis of a CAAC-OS film having an InGaZnO 4 crystal by an out-of-plane method, A peak may appear when the diffraction angle (2θ) is around 31 °. Since this peak is attributed to the (009) plane of the InGaZnO 4 crystal, the CAAC-OS film crystal has c-axis orientation, and the c-axis is in a direction substantially perpendicular to the formation surface or the top surface. Can be confirmed.

一方、CAAC−OS膜に対し、c軸に概略垂直な方向からX線を入射させるin−plane法による解析では、2θが56°近傍にピークが現れる場合がある。このピークは、InGaZnOの結晶の(110)面に帰属される。InGaZnOの単結晶酸化物半導体膜であれば、2θを56°近傍に固定し、試料面の法線ベクトルを軸(φ軸)として試料を回転させながら分析(φスキャン)を行うと、(110)面と等価な結晶面に帰属されるピークが6本観察される。これに対し、CAAC−OS膜の場合は、2θを56°近傍に固定してφスキャンした場合でも、明瞭なピークが現れない。 On the other hand, when the CAAC-OS film is analyzed by an in-plane method in which X-rays are incident from a direction substantially perpendicular to the c-axis, a peak may appear when 2θ is around 56 °. This peak is attributed to the (110) plane of the InGaZnO 4 crystal. In the case of a single crystal oxide semiconductor film of InGaZnO 4 , when 2θ is fixed in the vicinity of 56 ° and analysis (φ scan) is performed while rotating the sample with the normal vector of the sample surface as the axis (φ axis), Six peaks attributed to the crystal plane equivalent to the (110) plane are observed. On the other hand, in the case of a CAAC-OS film, a peak is not clearly observed even when φ scan is performed with 2θ fixed at around 56 °.

以上のことから、CAAC−OS膜では、異なる結晶部間ではa軸およびb軸の配向は不規則であるが、c軸配向性を有し、かつc軸が被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向を向いていることがわかる。従って、前述の断面の高分解能TEM観察で確認された層状に配列した金属原子の各層は、結晶のab面に平行な面である。 From the above, in the CAAC-OS film, the orientation of the a-axis and the b-axis is irregular between different crystal parts, but the c-axis is aligned, and the c-axis is a normal line of the formation surface or the top surface. It can be seen that the direction is parallel to the vector. Therefore, each layer of metal atoms arranged in a layer shape confirmed by high-resolution TEM observation of the cross section described above is a plane parallel to the ab plane of the crystal.

なお、結晶部は、CAAC−OS膜を成膜した際、または加熱処理などの結晶化処理を行った際に形成される。上述したように、結晶のc軸は、CAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルに平行な方向に配向する。従って、例えば、CAAC−OS膜の形状をエッチングなどによって変化させた場合、結晶のc軸がCAAC−OS膜の被形成面または上面の法線ベクトルと平行にならないこともある。 Note that the crystal part is formed when a CAAC-OS film is formed or when crystallization treatment such as heat treatment is performed. As described above, the c-axis of the crystal is oriented in a direction parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film. Therefore, for example, when the shape of the CAAC-OS film is changed by etching or the like, the c-axis of the crystal may not be parallel to the normal vector of the formation surface or the top surface of the CAAC-OS film.

また、CAAC−OS膜中において、c軸配向した結晶部の分布が均一でなくてもよい。例えば、CAAC−OS膜の結晶部が、CAAC−OS膜の上面近傍からの結晶成長によって形成される場合、上面近傍の領域は、被形成面近傍の領域よりもc軸配向した結晶部の割合が高くなることがある。また、CAAC−OS膜に不純物を添加する場合、不純物が添加された領域が変質し、部分的にc軸配向した結晶部の割合の異なる領域が形成されることもある。 In the CAAC-OS film, the distribution of c-axis aligned crystal parts is not necessarily uniform. For example, in the case where the crystal part of the CAAC-OS film is formed by crystal growth from the vicinity of the upper surface of the CAAC-OS film, the ratio of the crystal part in which the region near the upper surface is c-axis aligned than the region near the formation surface May be higher. In addition, in the case where an impurity is added to the CAAC-OS film, the region to which the impurity is added may be changed, and a region having a different ratio of partially c-axis aligned crystal parts may be formed.

なお、InGaZnOの結晶を有するCAAC−OS膜のout−of−plane法による解析では、2θが31°近傍のピークの他に、2θが36°近傍にもピークが現れる場合がある。2θが36°近傍のピークは、CAAC−OS膜中の一部に、c軸配向性を有さない結晶が含まれることを示している。CAAC−OS膜は、2θが31°近傍にピークを示し、2θが36°近傍にピークを示さないことが好ましい。 Note that when the CAAC-OS film including an InGaZnO 4 crystal is analyzed by an out-of-plane method, a peak may also appear when 2θ is around 36 ° in addition to the peak where 2θ is around 31 °. A peak at 2θ of around 36 ° indicates that a crystal having no c-axis alignment is included in part of the CAAC-OS film. The CAAC-OS film preferably has a peak at 2θ of around 31 ° and no peak at 2θ of around 36 °.

CAAC−OS膜は、不純物濃度の低い酸化物半導体膜である。不純物は、水素、炭素、シリコン、遷移金属元素などの酸化物半導体膜の主成分以外の元素である。特に、シリコンなどの、酸化物半導体膜を構成する金属元素よりも酸素との結合力の強い元素は、酸化物半導体膜から酸素を奪うことで酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。また、鉄やニッケルなどの重金属、アルゴン、二酸化炭素などは、原子半径(または分子半径)が大きいため、酸化物半導体膜内部に含まれると、酸化物半導体膜の原子配列を乱し、結晶性を低下させる要因となる。なお、酸化物半導体膜に含まれる不純物は、キャリアトラップやキャリア発生源となる場合がある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low impurity concentration. The impurity is an element other than the main component of the oxide semiconductor film, such as hydrogen, carbon, silicon, or a transition metal element. In particular, an element such as silicon, which has a stronger bonding force with oxygen than the metal element included in the oxide semiconductor film, disturbs the atomic arrangement of the oxide semiconductor film by depriving the oxide semiconductor film of oxygen, and has crystallinity. It becomes a factor to reduce. In addition, heavy metals such as iron and nickel, argon, carbon dioxide, and the like have large atomic radii (or molecular radii). Therefore, if they are contained inside an oxide semiconductor film, the atomic arrangement of the oxide semiconductor film is disturbed, resulting in crystallinity. It becomes a factor to reduce. Note that the impurity contained in the oxide semiconductor film might serve as a carrier trap or a carrier generation source.

また、CAAC−OS膜は、欠陥準位密度の低い酸化物半導体膜である。例えば、酸化物半導体膜中の酸素欠損は、キャリアトラップとなることや、水素を捕獲することによってキャリア発生源となることがある。 The CAAC-OS film is an oxide semiconductor film with a low density of defect states. For example, oxygen vacancies in the oxide semiconductor film can serve as carrier traps or can generate carriers by capturing hydrogen.

不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを、高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリア発生源が少ないため、キャリア密度を低くすることができる。従って、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、しきい値電圧がマイナスとなる電気特性(ノーマリーオンともいう。)になることが少ない。また、高純度真性または実質的に高純度真性である酸化物半導体膜は、キャリアトラップが少ない。そのため、当該酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性の変動が小さく、信頼性の高いトランジスタとなる。なお、酸化物半導体膜のキャリアトラップに捕獲された電荷は、放出するまでに要する時間が長く、あたかも固定電荷のように振る舞うことがある。そのため、不純物濃度が高く、欠陥準位密度が高い酸化物半導体膜を用いたトランジスタは、電気特性が不安定となる場合がある。 A low impurity concentration and a low density of defect states (small number of oxygen vacancies) is called high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier generation sources, and thus can have a low carrier density. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film rarely has electrical characteristics (also referred to as normally-on) in which the threshold voltage is negative. A highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor film has few carrier traps. Therefore, a transistor including the oxide semiconductor film has a small change in electrical characteristics and has high reliability. Note that the charge trapped in the carrier trap of the oxide semiconductor film takes a long time to be released, and may behave as if it were a fixed charge. Therefore, a transistor including an oxide semiconductor film with a high impurity concentration and a high density of defect states may have unstable electrical characteristics.

また、CAAC−OS膜を用いたトランジスタは、可視光や紫外光の照射による電気特性の変動が小さい。 In addition, a transistor including a CAAC-OS film has little variation in electrical characteristics due to irradiation with visible light or ultraviolet light.

次に、微結晶酸化物半導体膜について説明する。 Next, a microcrystalline oxide semiconductor film is described.

微結晶酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において、結晶部を確認することのできる領域と、明確な結晶部を確認することのできない領域と、を有する。微結晶酸化物半導体膜に含まれる結晶部は、1nm以上100nm以下、または1nm以上10nm以下の大きさであることが多い。特に、1nm以上10nm以下、または1nm以上3nm以下の微結晶であるナノ結晶(nc:nanocrystal)を有する酸化物半導体膜を、nc−OS(nanocrystalline Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。また、nc−OS膜は、例えば、高分解能TEM像では、結晶粒界を明確に確認できない場合がある。 The microcrystalline oxide semiconductor film includes a region where a crystal part can be confirmed and a region where a clear crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image. In most cases, a crystal part included in the microcrystalline oxide semiconductor film has a size of 1 nm to 100 nm, or 1 nm to 10 nm. In particular, an oxide semiconductor film including a nanocrystal (nc) that is a microcrystal of 1 nm to 10 nm, or 1 nm to 3 nm is referred to as an nc-OS (nanocrystalline Oxide Semiconductor) film. In the nc-OS film, for example, a crystal grain boundary may not be clearly confirmed in a high-resolution TEM image.

nc−OS膜は、微小な領域(例えば、1nm以上10nm以下の領域、特に1nm以上3nm以下の領域)において原子配列に周期性を有する。また、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、膜全体で配向性が見られない。従って、nc−OS膜は、分析方法によっては、非晶質酸化物半導体膜と区別が付かない場合がある。例えば、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きい径のX線を用いるXRD装置を用いて構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、nc−OS膜に対し、結晶部よりも大きいプローブ径(例えば50nm以上)の電子線を用いる電子回折(制限視野電子回折ともいう。)を行うと、ハローパターンのような回折パターンが観測される。一方、nc−OS膜に対し、結晶部の大きさと近いか結晶部より小さいプローブ径の電子線を用いるナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測される。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、円を描くように(リング状に)輝度の高い領域が観測される場合がある。また、nc−OS膜に対しナノビーム電子回折を行うと、リング状の領域内に複数のスポットが観測される場合がある(図17(B)参照。)。 The nc-OS film has periodicity in atomic arrangement in a very small region (eg, a region of 1 nm to 10 nm, particularly a region of 1 nm to 3 nm). In addition, the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, orientation is not seen in the whole film. Therefore, the nc-OS film may not be distinguished from an amorphous oxide semiconductor film depending on an analysis method. For example, when structural analysis is performed on the nc-OS film using an XRD apparatus using X-rays having a diameter larger than that of the crystal part, a peak indicating a crystal plane is not detected in the analysis by the out-of-plane method. Further, when electron diffraction (also referred to as limited-field electron diffraction) using an electron beam with a probe diameter (for example, 50 nm or more) larger than that of the crystal part is performed on the nc-OS film, a diffraction pattern such as a halo pattern is observed. Is done. On the other hand, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film using an electron beam having a probe diameter that is close to or smaller than the size of the crystal part, spots are observed. In addition, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a region with high luminance may be observed so as to draw a circle (in a ring shape). Further, when nanobeam electron diffraction is performed on the nc-OS film, a plurality of spots may be observed in the ring-shaped region (see FIG. 17B).

nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも規則性の高い酸化物半導体膜である。そのため、nc−OS膜は、非晶質酸化物半導体膜よりも欠陥準位密度が低くなる。ただし、nc−OS膜は、異なる結晶部間で結晶方位に規則性が見られない。そのため、nc−OS膜は、CAAC−OS膜と比べて欠陥準位密度が高くなる。 The nc-OS film is an oxide semiconductor film that has higher regularity than an amorphous oxide semiconductor film. Therefore, the nc-OS film has a lower density of defect states than the amorphous oxide semiconductor film. Note that the nc-OS film does not have regularity in crystal orientation between different crystal parts. Therefore, the nc-OS film has a higher density of defect states than the CAAC-OS film.

次に、非晶質酸化物半導体膜について説明する。 Next, an amorphous oxide semiconductor film is described.

非晶質酸化物半導体膜は、膜中における原子配列が不規則であり、結晶部を有さない酸化物半導体膜である。石英のような無定形状態を有する酸化物半導体膜が一例である。 An amorphous oxide semiconductor film is an oxide semiconductor film having an irregular atomic arrangement in the film and having no crystal part. An oxide semiconductor film having an amorphous state such as quartz is an example.

非晶質酸化物半導体膜は、高分解能TEM像において結晶部を確認することができない。 In the amorphous oxide semiconductor film, a crystal part cannot be confirmed in a high-resolution TEM image.

非晶質酸化物半導体膜に対し、XRD装置を用いた構造解析を行うと、out−of−plane法による解析では、結晶面を示すピークが検出されない。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、電子回折を行うと、ハローパターンが観測される。また、非晶質酸化物半導体膜に対し、ナノビーム電子回折を行うと、スポットが観測されず、ハローパターンが観測される。 When structural analysis using an XRD apparatus is performed on an amorphous oxide semiconductor film, a peak indicating a crystal plane is not detected by analysis using an out-of-plane method. Further, when electron diffraction is performed on the amorphous oxide semiconductor film, a halo pattern is observed. Further, when nanobeam electron diffraction is performed on an amorphous oxide semiconductor film, no spot is observed and a halo pattern is observed.

なお、酸化物半導体膜は、nc−OS膜と非晶質酸化物半導体膜との間の物性を示す構造を有する場合がある。そのような構造を有する酸化物半導体膜を、特に非晶質ライク酸化物半導体(a−like OS:amorphous−like Oxide Semiconductor)膜と呼ぶ。 Note that the oxide semiconductor film may have a structure having physical properties between the nc-OS film and the amorphous oxide semiconductor film. An oxide semiconductor film having such a structure is particularly referred to as an amorphous-like oxide semiconductor (a-like OS) film.

a−like OS膜は、高分解能TEM像において鬆(ボイドともいう。)が観察される場合がある。また、高分解能TEM像において、明確に結晶部を確認することのできる領域と、結晶部を確認することのできない領域と、を有する。a−like OS膜は、TEMによる観察程度の微量な電子照射によって、結晶化が起こり、結晶部の成長が見られる場合がある。一方、良質なnc−OS膜であれば、TEMによる観察程度の微量な電子照射による結晶化はほとんど見られない。 In the a-like OS film, a void (also referred to as a void) may be observed in a high-resolution TEM image. Moreover, in a high-resolution TEM image, it has the area | region which can confirm a crystal part clearly, and the area | region which cannot confirm a crystal part. In some cases, the a-like OS film is crystallized by a small amount of electron irradiation as observed by a TEM, and a crystal part is grown. On the other hand, in the case of a good-quality nc-OS film, crystallization due to a small amount of electron irradiation comparable to that observed by TEM is hardly observed.

なお、a−like OS膜およびnc−OS膜の結晶部の大きさの計測は、高分解能TEM像を用いて行うことができる。例えば、InGaZnOの結晶は層状構造を有し、In−O層の間に、Ga−Zn−O層を2層有する。InGaZnOの結晶の単位格子は、In−O層を3層有し、またGa−Zn−O層を6層有する、計9層がc軸方向に層状に重なった構造を有する。よって、これらの近接する層同士の間隔は、(009)面の格子面間隔(d値ともいう。)と同程度であり、結晶構造解析からその値は0.29nmと求められている。そのため、高分解能TEM像における格子縞に着目し、格子縞の間隔が0.28nm以上0.30nm以下である箇所においては、それぞれの格子縞がInGaZnOの結晶のa−b面に対応すると見なした。その格子縞の観察される領域における最大長を、a−like OS膜およびnc−OS膜の結晶部の大きさとする。なお、結晶部の大きさは、0.8nm以上のものを選択的に評価する。 Note that the crystal part size of the a-like OS film and the nc-OS film can be measured using high-resolution TEM images. For example, a crystal of InGaZnO 4 has a layered structure, and two Ga—Zn—O layers are provided between In—O layers. The unit cell of InGaZnO 4 crystal has a structure in which a total of nine layers including three In—O layers and six Ga—Zn—O layers are stacked in the c-axis direction. Therefore, the distance between these adjacent layers is approximately the same as the lattice spacing (also referred to as d value) of the (009) plane, and the value is determined to be 0.29 nm from crystal structure analysis. Therefore, paying attention to the lattice fringes in the high-resolution TEM image, it was considered that each lattice fringe corresponds to the ab plane of the InGaZnO 4 crystal in a portion where the interval between the lattice fringes is 0.28 nm or more and 0.30 nm or less. The maximum length in the region where the lattice fringes are observed is the size of the crystal part of the a-like OS film and the nc-OS film. Note that a crystal part having a size of 0.8 nm or more is selectively evaluated.

なお、酸化物半導体膜は、例えば、非晶質酸化物半導体膜、微結晶酸化物半導体膜、CAAC−OS膜のうち、二種以上を有する積層膜であってもよい。 Note that the oxide semiconductor film may be a stacked film including two or more of an amorphous oxide semiconductor film, a microcrystalline oxide semiconductor film, and a CAAC-OS film, for example.

酸化物半導体膜が複数の構造を有する場合、ナノビーム電子回折を用いることで構造解析が可能となる場合がある。 In the case where the oxide semiconductor film has a plurality of structures, the structure analysis may be possible by using nanobeam electron diffraction.

図18(A)に、電子銃室10と、電子銃室10の下の光学系12と、光学系12の下の試料室14と、試料室14の下の光学系16と、光学系16の下の観察室20と、観察室20に設置されたカメラ18と、観察室20の下のフィルム室22と、を有する透過電子回折測定装置を示す。カメラ18は、観察室20内部に向けて設置される。なお、フィルム室22を有さなくても構わない。 18A shows an electron gun chamber 10, an optical system 12 below the electron gun chamber 10, a sample chamber 14 below the optical system 12, an optical system 16 below the sample chamber 14, and an optical system 16 1 shows a transmission electron diffraction measurement apparatus having an observation room 20 below, a camera 18 installed in the observation room 20, and a film chamber 22 below the observation room 20. The camera 18 is installed toward the inside of the observation room 20. Note that the film chamber 22 may not be provided.

また、図18(B)に、図18(A)で示した透過電子回折測定装置内部の構造を示す。透過電子回折測定装置内部では、電子銃室10に設置された電子銃から放出された電子が、光学系12を介して試料室14に配置された物質28に照射される。物質28を通過した電子は、光学系16を介して観察室20内部に設置された蛍光板32に入射する。蛍光板32では、入射した電子の強度に応じたパターンが現れることで透過電子回折パターンを測定することができる。 FIG. 18B shows the internal structure of the transmission electron diffraction measurement apparatus shown in FIG. Inside the transmission electron diffraction measurement apparatus, electrons emitted from the electron gun installed in the electron gun chamber 10 are irradiated to the substance 28 arranged in the sample chamber 14 through the optical system 12. The electrons that have passed through the substance 28 are incident on the fluorescent plate 32 installed inside the observation room 20 via the optical system 16. On the fluorescent plate 32, a transmission electron diffraction pattern can be measured by the appearance of a pattern corresponding to the intensity of incident electrons.

カメラ18は、蛍光板32を向いて設置されており、蛍光板32に現れたパターンを撮影することが可能である。カメラ18のレンズの中央、および蛍光板32の中央を通る直線と、蛍光板32の上面と、の為す角度は、例えば、15°以上80°以下、30°以上75°以下、または45°以上70°以下とする。該角度が小さいほど、カメラ18で撮影される透過電子回折パターンは歪みが大きくなる。ただし、あらかじめ該角度がわかっていれば、得られた透過電子回折パターンの歪みを補正することも可能である。なお、カメラ18をフィルム室22に設置しても構わない場合がある。例えば、カメラ18をフィルム室22に、電子24の入射方向と対向するように設置してもよい。この場合、蛍光板32の裏面から歪みの少ない透過電子回折パターンを撮影することができる。 The camera 18 is installed facing the fluorescent screen 32, and can capture a pattern that appears on the fluorescent screen 32. The angle formed between the center of the lens of the camera 18 and the straight line passing through the center of the fluorescent plate 32 and the upper surface of the fluorescent plate 32 is, for example, 15 ° to 80 °, 30 ° to 75 °, or 45 ° to 70 °. The following. The smaller the angle, the greater the distortion of the transmission electron diffraction pattern photographed by the camera 18. However, if the angle is known in advance, the distortion of the obtained transmission electron diffraction pattern can be corrected. The camera 18 may be installed in the film chamber 22 in some cases. For example, the camera 18 may be installed in the film chamber 22 so as to face the incident direction of the electrons 24. In this case, a transmission electron diffraction pattern with less distortion can be taken from the back surface of the fluorescent plate 32.

試料室14には、試料である物質28を固定するためのホルダが設置されている。ホルダは、物質28を通過する電子を透過するような構造をしている。ホルダは、例えば、物質28をX軸、Y軸、Z軸などに移動させる機能を有していてもよい。ホルダの移動機能は、例えば、1nm以上10nm以下、5nm以上50nm以下、10nm以上100nm以下、50nm以上500nm以下、100nm以上1μm以下などの範囲で移動させる精度を有すればよい。これらの範囲は、物質28の構造によって最適な範囲を設定すればよい。 The sample chamber 14 is provided with a holder for fixing the substance 28 as a sample. The holder has a structure that transmits electrons passing through the substance 28. The holder may have a function of moving the substance 28 to the X axis, the Y axis, the Z axis, and the like, for example. The movement function of the holder may have an accuracy of moving in the range of 1 nm to 10 nm, 5 nm to 50 nm, 10 nm to 100 nm, 50 nm to 500 nm, 100 nm to 1 μm, and the like. These ranges may be set to optimum ranges depending on the structure of the substance 28.

次に、上述した透過電子回折測定装置を用いて、物質の透過電子回折パターンを測定する方法について説明する。 Next, a method for measuring a transmission electron diffraction pattern of a substance using the above-described transmission electron diffraction measurement apparatus will be described.

例えば、図18(B)に示すように物質におけるナノビームである電子24の照射位置を変化させる(スキャンする)ことで、物質の構造が変化していく様子を確認することができる。このとき、物質28がCAAC−OS膜であれば、図17(A)に示したような回折パターンが観測される。または、物質28がnc−OS膜であれば、図17(B)に示したような回折パターンが観測される。 For example, as shown in FIG. 18B, the state in which the structure of the substance is changed can be confirmed by changing (scanning) the irradiation position of the electron 24 that is a nanobeam in the substance. At this time, when the substance 28 is a CAAC-OS film, a diffraction pattern as illustrated in FIG. Alternatively, when the substance 28 is an nc-OS film, a diffraction pattern as illustrated in FIG. 17B is observed.

ところで、物質28がCAAC−OS膜であったとしても、部分的にnc−OS膜などと同様の回折パターンが観測される場合がある。したがって、CAAC−OS膜の良否は、一定の範囲におけるCAAC−OS膜の回折パターンが観測される領域の割合(CAAC化率ともいう。)で表すことができる場合がある。例えば、良質なCAAC−OS膜であれば、CAAC化率は、60%以上、好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上となる。なお、CAAC−OS膜と異なる回折パターンが観測される領域を非CAAC化率と表記する。 By the way, even if the substance 28 is a CAAC-OS film, a diffraction pattern partially similar to that of the nc-OS film or the like may be observed. Therefore, the quality of the CAAC-OS film can be expressed by a ratio of a region where a diffraction pattern of the CAAC-OS film is observed in a certain range (also referred to as a CAAC conversion rate) in some cases. For example, in the case of a high-quality CAAC-OS film, the CAAC conversion ratio is 60% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and more preferably 95% or more. Note that a region where a diffraction pattern different from that of the CAAC-OS film is observed is referred to as a non-CAAC conversion rate.

一例として、成膜直後(as−depoと表記。)、350℃加熱処理後または450℃加熱処理後のCAAC−OS膜を有する各試料の上面に対し、スキャンしながら透過電子回折パターンを取得した。ここでは、5nm/秒の速度で60秒間スキャンしながら回折パターンを観測し、観測された回折パターンを0.5秒ごとに静止画に変換することで、CAAC化率を導出した。なお、電子線としては、プローブ径が1nmのナノビーム電子線を用いた。 As an example, a transmission electron diffraction pattern was acquired while scanning the upper surface of each sample having a CAAC-OS film immediately after film formation (denoted as as-depo), after 350 ° C. heat treatment or after 450 ° C. heat treatment. . Here, the diffraction pattern was observed while scanning at a speed of 5 nm / second for 60 seconds, and the observed diffraction pattern was converted into a still image every 0.5 seconds, thereby deriving the CAAC conversion rate. As the electron beam, a nanobeam electron beam having a probe diameter of 1 nm was used.

各試料におけるCAAC化率を図19に示す。成膜直後および350℃加熱処理後と比べて、450℃加熱処理後のCAAC化率が高いことがわかる。即ち、350℃より高い温度(例えば400℃以上)における加熱処理によって、非CAAC化率が低くなる(CAAC化率が高くなる)ことがわかる。ここで、CAAC−OS膜と異なる回折パターンのほとんどはnc−OS膜と同様の回折パターンであった。したがって、加熱処理によって、nc−OS膜と同様の構造を有する領域は、隣接する領域の構造の影響を受けてCAAC化していることが示唆される。 The CAAC conversion rate in each sample is shown in FIG. It can be seen that the CAAC conversion rate after 450 ° C. heat treatment is higher than that immediately after film formation and after 350 ° C. heat treatment. That is, it can be seen that heat treatment at a temperature higher than 350 ° C. (for example, 400 ° C. or higher) reduces the non-CAAC conversion rate (the CAAC conversion rate increases). Here, most of the diffraction patterns different from those of the CAAC-OS film were the same as those of the nc-OS film. Therefore, it is suggested that a region having a structure similar to that of the nc-OS film is converted to CAAC by the influence of the structure of the adjacent region by the heat treatment.

このような測定方法を用いれば、複数の構造を有する酸化物半導体膜の構造解析が可能となる場合がある。 When such a measurement method is used, the structure analysis of an oxide semiconductor film having a plurality of structures may be possible.

酸化物半導体404は、酸化物半導体の積層膜であってもよい。例えば、酸化物半導体404は、2層構造、3層構造であってもよい。 The oxide semiconductor 404 may be a stacked film of oxide semiconductors. For example, the oxide semiconductor 404 may have a two-layer structure or a three-layer structure.

例えば、酸化物半導体404が3層構造の場合について説明する。図2に、酸化物半導体404が、下から順に積層された酸化物半導体404a、酸化物半導体404b及び酸化物半導体404cを含む場合を示す。 For example, the case where the oxide semiconductor 404 has a three-layer structure is described. FIG. 2 illustrates the case where the oxide semiconductor 404 includes an oxide semiconductor 404a, an oxide semiconductor 404b, and an oxide semiconductor 404c which are sequentially stacked from the bottom.

酸化物半導体404b(中層)は、ここまでの酸化物半導体404についての記載を参照する。酸化物半導体404a(下層)および酸化物半導体404c(上層)は、酸化物半導体404bを構成する酸素以外の元素一種以上、または二種以上から構成される酸化物半導体である。そのため、酸化物半導体404aと酸化物半導体404bとの界面、および酸化物半導体404bと酸化物半導体404cとの界面において、界面準位が形成されにくい。 For the oxide semiconductor 404b (middle layer), the description of the oxide semiconductor 404 so far is referred to. The oxide semiconductor 404a (lower layer) and the oxide semiconductor 404c (upper layer) are oxide semiconductors composed of one or more elements other than oxygen or two or more elements constituting the oxide semiconductor 404b. Therefore, interface states are unlikely to be formed at the interface between the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404b and at the interface between the oxide semiconductor 404b and the oxide semiconductor 404c.

なお、酸化物半導体404aがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたときのInとMの原子数比率は、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%以上とする。また、酸化物半導体404bがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたときのInとMの原子数比率は、好ましくはInが25atomic%以上、Mが75atomic%未満、さらに好ましくはInが34atomic%以上、Mが66atomic%未満とする。また、酸化物半導体404cがIn−M−Zn酸化物のとき、InおよびMの和を100atomic%としたときのInとMの原子数比率は、好ましくはInが50atomic%未満、Mが50atomic%以上、さらに好ましくはInが25atomic%未満、Mが75atomic%以上とする。なお、酸化物半導体404cは、酸化物半導体404aと同種の酸化物を用いても構わない。 Note that when the oxide semiconductor 404a is an In-M-Zn oxide, the atomic ratio of In to M when the sum of In and M is 100 atomic% is preferably less than 50 atomic% for In and 50 atomic% for M. More preferably, In is less than 25 atomic% and M is 75 atomic% or more. In the case where the oxide semiconductor 404b is an In-M-Zn oxide, the atomic ratio of In to M when the sum of In and M is 100 atomic% is preferably 25 atomic% or more for In and 75 atomic% for M. Or less, more preferably, In is 34 atomic% or more and M is less than 66 atomic%. In the case where the oxide semiconductor 404c is an In—M—Zn oxide, the atomic ratio of In to M when the sum of In and M is 100 atomic% is preferably less than 50 atomic% for In and 50 atomic% for M. More preferably, In is less than 25 atomic% and M is 75 atomic% or more. Note that the oxide semiconductor 404c may be an oxide of the same type as the oxide semiconductor 404a.

ここで、酸化物半導体404aと酸化物半導体404bとの間には、酸化物半導体404aと酸化物半導体404bとの混合領域を有する場合がある。また、酸化物半導体404bと酸化物半導体404cとの間には、酸化物半導体404bと酸化物半導体404cとの混合領域を有する場合がある。混合領域は、界面準位密度が低くなる。そのため、酸化物半導体404a、酸化物半導体404bおよび酸化物半導体404cの積層体は、それぞれの界面近傍において、エネルギーが連続的に変化する(連続接合ともいう。)バンド構造となる。 Here, in some cases, there is a mixed region of the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404b between the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404b. Further, in some cases, there is a mixed region of the oxide semiconductor 404b and the oxide semiconductor 404c between the oxide semiconductor 404b and the oxide semiconductor 404c. In the mixed region, the interface state density is low. Therefore, the stack of the oxide semiconductor 404a, the oxide semiconductor 404b, and the oxide semiconductor 404c has a band structure in which energy continuously changes (also referred to as a continuous junction) in the vicinity of each interface.

酸化物半導体404bは、酸化物半導体404aおよび酸化物半導体404cよりも電子親和力の大きい酸化物を用いる。例えば、酸化物半導体404bとして、酸化物半導体404aおよび酸化物半導体404cよりも電子親和力の0.07eV以上1.3eV以下、好ましくは0.1eV以上0.7eV以下、さらに好ましくは0.15eV以上0.4eV以下大きい酸化物を用いる。なお、電子親和力は、真空準位と伝導帯下端のエネルギーとの差である。 As the oxide semiconductor 404b, an oxide having an electron affinity higher than those of the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404c is used. For example, as the oxide semiconductor 404b, the electron affinity of the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404c is 0.07 eV to 1.3 eV, preferably 0.1 eV to 0.7 eV, and more preferably 0.15 eV to 0. An oxide larger than 4 eV is used. Note that the electron affinity is the difference between the vacuum level and the energy at the bottom of the conduction band.

このとき、ゲート電極410に電界を印加すると、酸化物半導体404a、酸化物半導体404b、酸化物半導体404cのうち、電子親和力の大きい酸化物半導体404bにチャネルが形成される。 At this time, when an electric field is applied to the gate electrode 410, a channel is formed in the oxide semiconductor 404b having a high electron affinity among the oxide semiconductor 404a, the oxide semiconductor 404b, and the oxide semiconductor 404c.

また、トランジスタのオン電流のためには、酸化物半導体404cの厚さは小さいほど好ましい。例えば、酸化物半導体404cは、10nm未満、好ましくは5nm以下、さらに好ましくは3nm以下とする。一方、酸化物半導体404cは、チャネルの形成される酸化物半導体404bへ、ゲート絶縁膜408を構成する酸素以外の元素(シリコンなど)が入り込まないようブロックする機能を有する。そのため、酸化物半導体404cは、ある程度の厚さを有することが好ましい。例えば、酸化物半導体404cの厚さは、0.3nm以上、好ましくは1nm以上、さらに好ましくは2nm以上とする。 For the on-state current of the transistor, the thickness of the oxide semiconductor 404c is preferably as small as possible. For example, the oxide semiconductor 404c is less than 10 nm, preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less. On the other hand, the oxide semiconductor 404c has a function of blocking entry of elements other than oxygen (such as silicon) included in the gate insulating film 408 into the oxide semiconductor 404b where a channel is formed. Therefore, the oxide semiconductor 404c preferably has a certain thickness. For example, the thickness of the oxide semiconductor 404c is 0.3 nm or more, preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more.

また、信頼性を高めるためには、酸化物半導体404aは厚く、酸化物半導体404cは薄いことが好ましい。具体的には、酸化物半導体404aの厚さは、20nm以上、好ましくは30nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上とする。酸化物半導体404aの厚さを、20nm以上、好ましくは30nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上とすることで、下地絶縁膜402と酸化物半導体404aとの界面からチャネルの形成される酸化物半導体404bまでを20nm以上、好ましくは30nm以上、さらに好ましくは40nm以上、より好ましくは60nm以上離すことができる。ただし、半導体装置の生産性が低下する場合があるため、酸化物半導体404aの厚さは、200nm以下、好ましくは120nm以下、さらに好ましくは80nm以下とする。 In order to increase reliability, the oxide semiconductor 404a is preferably thick and the oxide semiconductor 404c is preferably thin. Specifically, the thickness of the oxide semiconductor 404a is 20 nm or more, preferably 30 nm or more, more preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more. By setting the thickness of the oxide semiconductor 404a to 20 nm or more, preferably 30 nm or more, more preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more, a channel is formed from the interface between the base insulating film 402 and the oxide semiconductor 404a. The oxide semiconductor 404b can be separated by 20 nm or more, preferably 30 nm or more, more preferably 40 nm or more, more preferably 60 nm or more. However, since the productivity of the semiconductor device may be reduced, the thickness of the oxide semiconductor 404a is 200 nm or less, preferably 120 nm or less, more preferably 80 nm or less.

例えば、酸化物半導体404bと酸化物半導体404aとの間におけるシリコン濃度を、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm未満とする。また、酸化物半導体404bと酸化物半導体404cとの間におけるシリコン濃度を、SIMSにおいて、1×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm未満、さらに好ましくは2×1018atoms/cm未満とする。 For example, the silicon concentration between the oxide semiconductor 404b and the oxide semiconductor 404a is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , more preferably 2 × 10 in SIMS. It should be less than 18 atoms / cm 3 . The silicon concentration between the oxide semiconductor 404b and the oxide semiconductor 404c is less than 1 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably less than 5 × 10 18 atoms / cm 3 , more preferably 2 × 10 in SIMS. It should be less than 18 atoms / cm 3 .

また、酸化物半導体404bの水素濃度を低減するために、酸化物半導体404aおよび酸化物半導体404cの水素濃度を低減すると好ましい。酸化物半導体404aおよび酸化物半導体404cの水素濃度はSIMSにおいて、2×1020atoms/cm以下、好ましくは5×1019atoms/cm以下、より好ましくは1×1019atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1018atoms/cm以下とする。また、酸化物半導体404bの窒素濃度を低減するために、酸化物半導体404aおよび酸化物半導体404cの窒素濃度を低減すると好ましい。酸化物半導体404aおよび酸化物半導体404cの窒素濃度は、SIMSにおいて、5×1019atoms/cm未満、好ましくは5×1018atoms/cm以下、より好ましくは1×1018atoms/cm以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm以下とする。 In order to reduce the hydrogen concentration of the oxide semiconductor 404b, it is preferable to reduce the hydrogen concentration of the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404c. The hydrogen concentration of the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404c is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or less, preferably 5 × 10 19 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less in SIMS. More preferably, it is 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less. In order to reduce the nitrogen concentration of the oxide semiconductor 404b, it is preferable to reduce the nitrogen concentrations of the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404c. The nitrogen concentration of the oxide semiconductor 404a and the oxide semiconductor 404c is less than 5 × 10 19 atoms / cm 3 , preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 in SIMS. In the following, it is more preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.

上述の3層構造は一例である。例えば、酸化物半導体404aまたは酸化物半導体404cのない2層構造としても構わない。 The above three-layer structure is an example. For example, a two-layer structure without the oxide semiconductor 404a or the oxide semiconductor 404c may be employed.

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
(実施の形態3)
This embodiment can be implemented in appropriate combination with any of the other embodiments.
(Embodiment 3)

次に、実施の形態1で示したトランジスタの作製方法について、図3および図5を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the transistor described in Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.

まず、基板400上に下地絶縁膜402を成膜する(図3(A)参照)。 First, the base insulating film 402 is formed over the substrate 400 (see FIG. 3A).

下地絶縁膜402は、スパッタリング法、CVD法(ALD法、MOCVD法、熱CVD法またはPECVD法を含む)、MBE法またはPLD法を用いて成膜すればよい。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。 The base insulating film 402 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including an ALD method, an MOCVD method, a thermal CVD method, or a PECVD method), an MBE method, or a PLD method. In particular, the ALD method, the MOCVD method, or the thermal CVD method is preferable because it does not use plasma and causes little damage.

次に、下地絶縁膜402の表面を平坦化するために、CMP処理を行ってもよい。CMP処理を行うことで、下地絶縁膜402の平均面粗さ(Ra)を1nm以下、好ましくは0.3nm以下、さらに好ましくは0.1nm以下とする。上述の数値以下のRaとすることで、酸化物半導体404の結晶性が高くなる場合がある。Raは原子間力顕微鏡(AFM)にて測定可能である。 Next, CMP treatment may be performed to planarize the surface of the base insulating film 402. By performing CMP treatment, the average surface roughness (Ra) of the base insulating film 402 is set to 1 nm or less, preferably 0.3 nm or less, and more preferably 0.1 nm or less. When Ra is equal to or lower than the above numerical value, the crystallinity of the oxide semiconductor 404 may be increased. Ra can be measured with an atomic force microscope (AFM).

次に、下地絶縁膜402に酸素を添加することにより、過剰酸素を含む絶縁層を形成しても構わない。酸素の添加は、プラズマ処理またはイオン注入法などにより行えばよい。酸素の添加をイオン注入法で行う場合、例えば、加速電圧を2kV以上100kV以下とし、ドーズ量を5×1014ions/cm以上5×1016ions/cm以下とすればよい。 Next, an insulating layer containing excess oxygen may be formed by adding oxygen to the base insulating film 402. Oxygen may be added by plasma treatment or ion implantation. In the case where oxygen is added by an ion implantation method, for example, the acceleration voltage may be 2 kV to 100 kV and the dose may be 5 × 10 14 ions / cm 2 to 5 × 10 16 ions / cm 2 .

次に、下地絶縁膜402上に、実施の形態2で記載した方法を用いて酸化物半導体404を形成する(図3(B)参照)。このとき、下地絶縁膜402を適度にエッチングしてもよい。下地絶縁膜402を適度にエッチングすることで、後に形成するゲート電極410で酸化物半導体404を覆いやすくすることができる。なお、トランジスタを微細化するために、酸化物半導体404の加工時にハードマスクを用いてもよい。 Next, the oxide semiconductor 404 is formed over the base insulating film 402 by the method described in Embodiment 2 (see FIG. 3B). At this time, the base insulating film 402 may be appropriately etched. By appropriately etching the base insulating film 402, the oxide semiconductor 404 can be easily covered with a gate electrode 410 to be formed later. Note that a hard mask may be used when the oxide semiconductor 404 is processed in order to reduce the size of the transistor.

また、酸化物半導体404として、図2に示す酸化物半導体404a、酸化物半導体404b、および酸化物半導体404cを含む積層膜を形成する場合、各層を大気に触れさせることなく連続して成膜すると好ましい。 Further, in the case where a stacked film including the oxide semiconductor 404a, the oxide semiconductor 404b, and the oxide semiconductor 404c illustrated in FIGS. 2A to 2C is formed as the oxide semiconductor 404, each layer is formed continuously without being exposed to the air. preferable.

不純物の混入を低減し、結晶性の高い酸化物半導体とするために、酸化物半導体404は、基板温度を100℃以上、好ましくは150℃以上、さらに好ましくは200℃以上として成膜する。また、成膜ガスとして用いる酸素ガスやアルゴンガスは、露点が−40℃以下、好ましくは−80℃以下、より好ましくは−100℃以下にまで高純度化したガスを用いる。なお、不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低い(酸素欠損の少ない)ことを高純度真性または実質的に高純度真性と呼ぶ。 The oxide semiconductor 404 is formed with a substrate temperature of 100 ° C. or higher, preferably 150 ° C. or higher, more preferably 200 ° C. or higher in order to reduce the entry of impurities and to form an oxide semiconductor with high crystallinity. The oxygen gas or argon gas used as the film forming gas is a gas that has been highly purified to a dew point of −40 ° C. or lower, preferably −80 ° C. or lower, more preferably −100 ° C. or lower. Note that a low impurity concentration and a low density of defect states (low oxygen vacancies) are referred to as high purity intrinsic or substantially high purity intrinsic.

酸化物半導体404の形成後に、第1の加熱処理を行ってもよい。第1の加熱処理は、250℃以上650℃以下、好ましくは300℃以上500℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気、酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気、または減圧状態で行えばよい。また、第1の加熱処理の雰囲気は、不活性ガス雰囲気で加熱処理した後に、脱離した酸素を補うために酸化性ガスを10ppm以上含む雰囲気で行ってもよい。第1の加熱処理によって、酸化物半導体404の結晶性を高め、さらに下地絶縁膜402から水素や水などの不純物を除去することができる。 After the oxide semiconductor 404 is formed, first heat treatment may be performed. The first heat treatment may be performed at a temperature of 250 ° C. to 650 ° C., preferably 300 ° C. to 500 ° C., in an inert gas atmosphere, an atmosphere containing an oxidizing gas of 10 ppm or more, or a reduced pressure state. The atmosphere of the first heat treatment may be performed in an atmosphere containing 10 ppm or more of an oxidizing gas in order to supplement desorbed oxygen after heat treatment in an inert gas atmosphere. By the first heat treatment, the crystallinity of the oxide semiconductor 404 can be increased and impurities such as hydrogen and water can be removed from the base insulating film 402.

次に、酸化物半導体404上にソース電極406aおよびドレイン電極406bとなる導電膜405を成膜する(図3(C)参照)。導電膜405は、スパッタリング法、CVD法(ALD法、MOCVD法、熱CVD法またはPECVD法を含む)、MBE法またはPLD法を用いて成膜すればよい。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。 Next, a conductive film 405 to be the source electrode 406a and the drain electrode 406b is formed over the oxide semiconductor 404 (see FIG. 3C). The conductive film 405 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including an ALD method, an MOCVD method, a thermal CVD method, or a PECVD method), an MBE method, or a PLD method. In particular, the ALD method, the MOCVD method, or the thermal CVD method is preferable because it does not use plasma and causes little damage.

例えば、ALD法用いて、導電膜405としてタングステンを成膜する場合には、WFガスとBガスを順次繰り返し導入して初期のタングステン膜を成膜し、その後、WFガスとHガスを同時に導入してタングステンを成膜する。なお、Bガスに代えてSiHガスを用いてもよい。 For example, in the case where tungsten is formed as the conductive film 405 by using the ALD method, an initial tungsten film is formed by sequentially introducing WF 6 gas and B 2 H 6 gas, and then the WF 6 gas and H 2 gas is simultaneously introduced to form a tungsten film. Note that SiH 4 gas may be used instead of B 2 H 6 gas.

次に、導電膜405を分断するようにエッチングし、ソース電極406aおよびドレイン電極406bを形成する(図4(A)参照)。なお、導電膜405をエッチングする際、ソース電極406aおよびドレイン電極406bの端部が丸みを帯びる(曲面を有する)場合がある。また、導電膜405をエッチングする際、下地絶縁膜402及び酸化物半導体404が適度にエッチングされていてもよい。 Next, etching is performed so that the conductive film 405 is divided, so that the source electrode 406a and the drain electrode 406b are formed (see FIG. 4A). Note that when the conductive film 405 is etched, end portions of the source electrode 406a and the drain electrode 406b may be rounded (having a curved surface) in some cases. Further, when the conductive film 405 is etched, the base insulating film 402 and the oxide semiconductor 404 may be appropriately etched.

次に、酸化物半導体404上、ソース電極406a上およびドレイン電極406b上に、ゲート絶縁膜408を形成する。ゲート絶縁膜408は、スパッタリング法、CVD法(ALD法、MOCVD法、熱CVD法またはPECVD法を含む)、MBE法またはPLD法を用いて成膜すればよい。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。 Next, the gate insulating film 408 is formed over the oxide semiconductor 404, the source electrode 406a, and the drain electrode 406b. The gate insulating film 408 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including an ALD method, an MOCVD method, a thermal CVD method, or a PECVD method), an MBE method, or a PLD method. In particular, the ALD method, the MOCVD method, or the thermal CVD method is preferable because it does not use plasma and causes little damage.

例えば、熱CVD法を用いて、ゲート絶縁膜408として酸化シリコンを成膜する場合には、ヘキサクロロジシランを被成膜面に吸着させ、吸着物に含まれる塩素を除去し、酸化性ガス(O、一酸化二窒素)のラジカルを供給して吸着物と反応させる。 For example, in the case where silicon oxide is formed as the gate insulating film 408 using a thermal CVD method, hexachlorodisilane is adsorbed on the deposition surface, chlorine contained in the adsorbed material is removed, and an oxidizing gas (O 2 , radicals of dinitrogen monoxide) are supplied to react with the adsorbate.

例えば、熱CVD法を用いて、ゲート絶縁膜408として酸化ハフニウムを成膜する場合には、溶媒とハフニウム前駆体化合物を含む液体(ハフニウムアルコキシド溶液、代表的にはテトラキスジメチルアミドハフニウム(TDMAH))を気化させた原料ガスと、酸化剤としてオゾン(O)の2種類のガスを用いる。なお、テトラキスジメチルアミドハフニウムの化学式はHf[N(CHである。また、他の材料液としては、テトラキス(エチルメチルアミド)ハフニウムなどがある。 For example, in the case where hafnium oxide is formed as the gate insulating film 408 by using a thermal CVD method, a liquid containing a solvent and a hafnium precursor compound (hafnium alkoxide solution, typically tetrakisdimethylamide hafnium (TDMAH)). Two types of gases, vaporized raw material gas and ozone (O 3 ) as an oxidizing agent, are used. Note that the chemical formula of tetrakisdimethylamide hafnium is Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 . Other material liquids include tetrakis (ethylmethylamide) hafnium.

次に、ゲート絶縁膜408上に導電膜410aおよび導電膜410bを成膜して、ゲート電極410を形成する(図4(B)参照)。導電膜410aおよび導電膜410bは、スパッタリング法、CVD法(ALD法、MOCVD法、熱CVD法またはPECVD法を含む)、MBE法またはPLD法を用いて成膜すればよい。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。 Next, a conductive film 410a and a conductive film 410b are formed over the gate insulating film 408, so that the gate electrode 410 is formed (see FIG. 4B). The conductive film 410a and the conductive film 410b may be formed by a sputtering method, a CVD method (including an ALD method, an MOCVD method, a thermal CVD method, or a PECVD method), an MBE method, or a PLD method. In particular, the ALD method, the MOCVD method, or the thermal CVD method is preferable because it does not use plasma and causes little damage.

次に、ソース電極406a上、ドレイン電極406b上、ゲート絶縁膜408上およびゲート電極410上に保護絶縁膜412を形成する(図4(C)参照)。保護絶縁膜412は、スパッタリング法、CVD法(ALD法、MOCVD法、熱CVD法またはPECVD法を含む)、MBE法またはPLD法を用いて成膜すればよい。特にALD法、MOCVD法または熱CVD法は、プラズマを使わないためダメージが少なく好ましい。 Next, a protective insulating film 412 is formed over the source electrode 406a, the drain electrode 406b, the gate insulating film 408, and the gate electrode 410 (see FIG. 4C). The protective insulating film 412 may be formed by a sputtering method, a CVD method (including an ALD method, an MOCVD method, a thermal CVD method, or a PECVD method), an MBE method, or a PLD method. In particular, the ALD method, the MOCVD method, or the thermal CVD method is preferable because it does not use plasma and causes little damage.

例えば、熱CVD法を用いて、保護絶縁膜412として酸化アルミニウムを成膜する場合には、溶媒とアルミニウム前駆体化合物を含む液体(TMAなど)を気化させた原料ガスと、酸化剤としてHOの2種類のガスを用いる。なお、トリメチルアルミニウムの化学式はAl(CHである。また、他の材料液としては、トリス(ジメチルアミド)アルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、アルミニウムトリス(2,2,6,6−テトラメチル−3,5−ヘプタンジオナート)などがある。 For example, in the case where aluminum oxide is formed as the protective insulating film 412 using a thermal CVD method, a source gas obtained by vaporizing a liquid (such as TMA) containing a solvent and an aluminum precursor compound and H 2 as an oxidizing agent are used. Two kinds of gases of O are used. Note that the chemical formula of trimethylaluminum is Al (CH 3 ) 3 . Other material liquids include tris (dimethylamido) aluminum, triisobutylaluminum, aluminum tris (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) and the like.

次に、第2の加熱処理を行う。第2の加熱処理は、実施の形態1で示した加熱処理と同様の条件で行うことができる。第2の加熱処理により、ゲート電極410を還元させて、導電膜411a、導電膜411bおよび導電膜411cを作製する(図5参照)。その際、導電膜410aから放出された酸素は、ゲート絶縁膜408を介して、酸化物半導体404へ酸素を供給し、酸化物半導体404の酸素欠損を低減することができる。 Next, second heat treatment is performed. The second heat treatment can be performed under conditions similar to those of the heat treatment described in Embodiment 1. Through the second heat treatment, the gate electrode 410 is reduced, so that the conductive films 411a, 411b, and 411c are formed (see FIG. 5). At that time, oxygen released from the conductive film 410a can be supplied to the oxide semiconductor 404 through the gate insulating film 408, so that oxygen vacancies in the oxide semiconductor 404 can be reduced.

以上の工程で、実施の形態1に示すトランジスタを作製することができる。 Through the above steps, the transistor described in Embodiment 1 can be manufactured.

以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。
(実施の形態4)
The structures, methods, and the like described in this embodiment can be combined as appropriate with any of the structures, methods, and the like described in the other embodiments.
(Embodiment 4)

本実施の形態では、実施の形態1で示したトランジスタにボトムゲート電極(酸化物半導体と基板の間に存在するゲート電極)を追加した場合について、図面を用いて説明する。 In this embodiment, the case where a bottom gate electrode (a gate electrode existing between an oxide semiconductor and a substrate) is added to the transistor described in Embodiment 1 will be described with reference to drawings.

図6(A)および図6(B)は、本発明の一態様のトランジスタの上面図および断面図である。図6(A)は上面図であり、図6(B)は、図6(A)に示す一点鎖線A1−A2、および一点鎖線A3−A4に対応する断面図である。なお、図6(A)の上面図では、図の明瞭化のために一部の要素を省いて図示している。 6A and 6B are a top view and a cross-sectional view of a transistor of one embodiment of the present invention. 6A is a top view, and FIG. 6B is a cross-sectional view corresponding to the dashed-dotted line A1-A2 and the dashed-dotted line A3-A4 illustrated in FIG. 6A. Note that in the top view of FIG. 6A, some elements are omitted for clarity.

図6(A)および図6(B)に示すトランジスタは、基板600と、基板600上の第1のゲート電極620と、基板600上および第1のゲート電極620上の第1のゲート絶縁膜602と、第1のゲート絶縁膜602を介して第1のゲート電極620と重なる酸化物半導体604と、酸化物半導体604の上面および側面と接するソース電極606aおよびドレイン電極606bと、酸化物半導体604上、ソース電極606a上およびドレイン電極606b上の第2のゲート絶縁膜608と、第2のゲート絶縁膜608の上面に接し、酸化物半導体604の上面および側面に面する第2のゲート電極610と、ソース電極606a上、ドレイン電極606b上および第2のゲート電極610上の保護絶縁膜612と、を有し、第1のゲート電極620は、導電膜620bと、導電膜620b上の導電膜620aを含む積層膜で構成され、第2のゲート電極610は、導電膜610aと、導電膜610a上の導電膜610bを含む積層膜で構成されている。なお、基板600と第1のゲート電極620との間に下地絶縁膜を設けても構わない。 The transistor illustrated in FIGS. 6A and 6B includes a substrate 600, a first gate electrode 620 over the substrate 600, and a first gate insulating film over the substrate 600 and the first gate electrode 620. 602, an oxide semiconductor 604 which overlaps with the first gate electrode 620 with the first gate insulating film 602 interposed therebetween, a source electrode 606a and a drain electrode 606b which are in contact with an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor 604, and an oxide semiconductor 604 In addition, a second gate insulating film 608 over the source electrode 606a and the drain electrode 606b, and a second gate electrode 610 which is in contact with the top surface of the second gate insulating film 608 and faces the top surface and side surfaces of the oxide semiconductor 604. A protective insulating film 612 over the source electrode 606a, the drain electrode 606b, and the second gate electrode 610, and the first gate The second electrode 620 includes a conductive film 620b and a conductive film 620a over the conductive film 620b. The second gate electrode 610 includes a conductive film 610a and a conductive film 610b over the conductive film 610a. It consists of a membrane. Note that a base insulating film may be provided between the substrate 600 and the first gate electrode 620.

図6(B)では、第1のゲート電極620と第2のゲート電極610は接続されていないため、異なる電位を同時に与えることができるが、これらの電極を電気的に接続し、同じ電位を同時に与えることもできる。 In FIG. 6B, since the first gate electrode 620 and the second gate electrode 610 are not connected to each other, different potentials can be applied at the same time, but these electrodes are electrically connected and the same potential is applied. Can be given at the same time.

導電膜610aおよび導電膜620aは、実施の形態1で示した導電膜410aについての記載を参照する。また、導電膜610bおよび導電膜620bは、実施の形態1で示した導電膜410bについての記載を参照する。第1のゲート絶縁膜602および第2のゲート絶縁膜608は、実施の形態1で示したゲート絶縁膜408についての記載を参照する。なお、その他の構成要素に関しては、図1(B)の対応する各構成要素の記載を参照すればよい。 For the conductive film 610a and the conductive film 620a, the description of the conductive film 410a described in Embodiment 1 is referred to. For the conductive film 610b and the conductive film 620b, the description of the conductive film 410b described in Embodiment 1 is referred to. For the first gate insulating film 602 and the second gate insulating film 608, the description of the gate insulating film 408 described in Embodiment 1 is referred to. Note that the description of each corresponding component in FIG. 1B may be referred to for other components.

図6(C)は加熱処理を施して、導電膜610aおよび導電膜620aを還元させた後の状態を示している。 FIG. 6C illustrates a state after the heat treatment is performed to reduce the conductive films 610a and 620a.

図6(C)は、導電膜621c、導電膜621c上の導電膜621bおよび導電膜621b上の導電膜621aを含む第1のゲート電極621と、導電膜611a、導電膜611a上の導電膜611bおよび導電膜611b上の導電膜611cを含む第2のゲート電極611を有する。図6(C)において、第1のゲート電極621および第2のゲート電極611以外の構成は、図6(B)と同一である。 FIG. 6C illustrates a first gate electrode 621 including a conductive film 621c, a conductive film 621b over the conductive film 621c, and a conductive film 621a over the conductive film 621b, and a conductive film 611a and a conductive film 611b over the conductive film 611a. And the second gate electrode 611 including the conductive film 611c over the conductive film 611b. In FIG. 6C, structures other than the first gate electrode 621 and the second gate electrode 611 are the same as those in FIG.

導電膜611aおよび導電膜621aは、実施の形態1で示した導電膜411aについての記載を参照する。導電膜611bおよび導電膜621bは、実施の形態1で示した導電膜411bについての記載を参照する。また、導電膜611cおよび導電膜621cは、実施の形態1で示した導電膜411cについての記載を参照する。 For the conductive film 611a and the conductive film 621a, the description of the conductive film 411a described in Embodiment 1 is referred to. For the conductive film 611b and the conductive film 621b, the description of the conductive film 411b described in Embodiment 1 is referred to. For the conductive film 611c and the conductive film 621c, the description of the conductive film 411c described in Embodiment 1 is referred to.

実施の形態1と同様に、本実施の形態でも、導電膜620aおよび導電膜610aを還元させることで放出される酸素を、酸化物半導体604に供給することを目的としている。 As in Embodiment 1, this embodiment also aims to supply oxygen released to the oxide semiconductor 604 by reducing the conductive films 620a and 610a.

実施の形態1で示したトランジスタは、酸化物半導体404の下に、酸素供給能力を持つ下地絶縁膜402を有し、下地絶縁膜402の膜厚を厚くすることで、供給できる酸素の量を増やすことができる。本実施の形態で示すトランジスタは、酸化物半導体604の下に、第1のゲート絶縁膜602を有するが、ゲート容量の点から、第1のゲート絶縁膜602は厚くすることができず、十分な酸素供給能力を持たせることができない。そのため、本実施の形態で示すトランジスタにおいて、酸化物半導体の上下に配置させたゲート電極から酸素を供給することは極めて重要である。
(実施の形態5)
The transistor described in Embodiment 1 includes the base insulating film 402 having an oxygen supply capability under the oxide semiconductor 404. By increasing the thickness of the base insulating film 402, the amount of oxygen that can be supplied is increased. Can be increased. The transistor described in this embodiment includes the first gate insulating film 602 under the oxide semiconductor 604; however, the first gate insulating film 602 cannot be thick enough from the viewpoint of gate capacitance, and is sufficient. It is not possible to have a sufficient oxygen supply capacity. Therefore, in the transistor described in this embodiment, it is extremely important to supply oxygen from gate electrodes arranged above and below an oxide semiconductor.
(Embodiment 5)

本実施の形態では、本発明の一態様のトランジスタを利用した回路の一例について図面を参照して説明する。 In this embodiment, an example of a circuit using the transistor of one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings.

図7(A)に本発明の一態様の半導体装置の断面図を示す。図7(A)に示す半導体装置は、基板2201と、トランジスタ2200と、トランジスタ2100と、配線2202と、プラグ2203と、配線2206と、配線2205と、素子分離層2204と、絶縁層2207と、絶縁層2208と、を有している。また、トランジスタ2200は、ソース領域又はドレイン領域として機能する不純物領域2001と、ゲート電極2003と、ゲート絶縁膜2004と、側壁絶縁層2005と、を有している。 FIG. 7A is a cross-sectional view of the semiconductor device of one embodiment of the present invention. A semiconductor device illustrated in FIG. 7A includes a substrate 2201, a transistor 2200, a transistor 2100, a wiring 2202, a plug 2203, a wiring 2206, a wiring 2205, an element isolation layer 2204, an insulating layer 2207, And an insulating layer 2208. The transistor 2200 includes an impurity region 2001 functioning as a source region or a drain region, a gate electrode 2003, a gate insulating film 2004, and a sidewall insulating layer 2005.

図7(A)に示す半導体装置は、下部に第1の半導体材料を用いたトランジスタ2200を有し、上部に第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100を有している。図7(A)では、第2の半導体材料を用いたトランジスタ2100として、実施の形態1で例示したトランジスタを適用した例を示している。なお、一点鎖線より左側がトランジスタ2100及びトランジスタ2200のチャネル長方向の断面、右側がトランジスタ2100及びトランジスタ2200のチャネル幅方向の断面である。 A semiconductor device illustrated in FIG. 7A includes a transistor 2200 using a first semiconductor material in a lower portion and a transistor 2100 using a second semiconductor material in an upper portion. FIG. 7A illustrates an example in which the transistor illustrated in Embodiment 1 is used as the transistor 2100 including the second semiconductor material. Note that the left side of the alternate long and short dash line is a cross section in the channel length direction of the transistors 2100 and 2200, and the right side is a cross section in the channel width direction of the transistors 2100 and 2200.

第1の半導体材料と第2の半導体材料は異なる禁制帯幅を持つ材料とすることが好ましい。例えば、第1の半導体材料を酸化物半導体以外の半導体材料(シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素など)とし、第2の半導体材料を酸化物半導体とすることができる。酸化物半導体以外の材料として単結晶シリコンなどを用いたトランジスタは、高速動作が容易である。一方で、酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が低い。 The first semiconductor material and the second semiconductor material are preferably materials having different band gaps. For example, the first semiconductor material can be a semiconductor material other than an oxide semiconductor (such as silicon, germanium, silicon germanium, silicon carbide, or gallium arsenide), and the second semiconductor material can be an oxide semiconductor. A transistor using single crystal silicon or the like as a material other than an oxide semiconductor can easily operate at high speed. On the other hand, a transistor including an oxide semiconductor has low off-state current.

トランジスタ2200は、nチャネル型のトランジスタまたはpチャネル型のトランジスタのいずれであってもよく、回路によって適切なトランジスタを用いればよい。また、酸化物半導体を用いた本発明の一態様のトランジスタを用いるほかは、用いる材料や構造など、半導体装置の具体的な構成をここで示すものに限定する必要はない。 The transistor 2200 may be either an n-channel transistor or a p-channel transistor, and an appropriate transistor may be used depending on a circuit. In addition to the use of the transistor of one embodiment of the present invention using an oxide semiconductor, the specific structure of the semiconductor device, such as a material and a structure used, is not necessarily limited to that described here.

また、トランジスタ2200は、側壁絶縁層2005の下に、LDD(Lightly Doped Drain)領域やエクステンション領域として機能する不純物領域を設けてもよい。特に、トランジスタ2200をnチャネル型とする場合は、ホットキャリアによる劣化を抑制するため、LDD領域やエクステンション領域を設けることが好ましい。 In the transistor 2200, an impurity region functioning as an LDD (Lightly Doped Drain) region or an extension region may be provided under the sidewall insulating layer 2005. In particular, when the transistor 2200 is an n-channel transistor, an LDD region or an extension region is preferably provided in order to suppress deterioration due to hot carriers.

また、トランジスタ2200としてシリサイド(サリサイド)を有するトランジスタや、側壁絶縁層2005を有さないトランジスタを用いてもよい。シリサイド(サリサイド)を有する構造であると、ソース領域およびドレイン領域がより低抵抗化でき、半導体装置の高速化が可能である。また、低電圧で動作できるため、半導体装置の消費電力を低減することが可能である。 Alternatively, the transistor 2200 may be a transistor having silicide (salicide) or a transistor not having the sidewall insulating layer 2005. When the structure has silicide (salicide), the resistance of the source region and the drain region can be further reduced, and the speed of the semiconductor device can be increased. In addition, since the semiconductor device can operate at a low voltage, power consumption of the semiconductor device can be reduced.

このように、2種類のトランジスタを積層することにより、回路の占有面積が低減され、より高密度に複数の回路を配置することができる。 Thus, by stacking two types of transistors, the area occupied by the circuit is reduced, and a plurality of circuits can be arranged at a higher density.

基板2201としては、シリコンや炭化シリコンからなる単結晶半導体基板、多結晶半導体基板、シリコンゲルマニウムからなる化合物半導体基板や、SOI(Silicon on Insulator)基板などを用いることができる。半導体基板を用いて形成されたトランジスタは、高速動作が容易である。なお、基板2201としてp型の単結晶シリコン基板を用いた場合、基板2201の一部にn型を付与する不純物元素を添加してn型のウェルを形成し、n型のウェルが形成された領域にp型のトランジスタを形成することも可能である。n型を付与する不純物元素としては、リン(P)、砒素(As)等を用いることができる。p型を付与する不純物元素としては、ボロン(B)等を用いることができる。 As the substrate 2201, a single crystal semiconductor substrate made of silicon or silicon carbide, a polycrystalline semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate made of silicon germanium, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, or the like can be used. A transistor formed using a semiconductor substrate can easily operate at high speed. Note that in the case where a p-type single crystal silicon substrate is used as the substrate 2201, an n-type well is formed by adding an impurity element imparting n-type to part of the substrate 2201, and the n-type well is formed. It is also possible to form a p-type transistor in the region. As the impurity element imparting n-type conductivity, phosphorus (P), arsenic (As), or the like can be used. As the impurity element imparting p-type conductivity, boron (B) or the like can be used.

また、基板2201は絶縁基板上に半導体膜を設けたものでもよい。該絶縁基板として、例えば、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板、金属基板、ステンレス・スチル基板、ステンレス・スチル・ホイルを有する基板、タングステン基板、タングステン・ホイルを有する基板、可撓性基板、貼り合わせフィルム、繊維状の材料を含む紙、又は基材フィルムなどが挙げられる。ガラス基板の一例としては、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、又はソーダライムガラスなどがある。可撓性基板の一例としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチック、又はアクリル等の可撓性を有する合成樹脂などがある。貼り合わせフィルムの一例としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニル、又はポリ塩化ビニルなどがある。基材フィルムの一例としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、エポキシ、無機蒸着フィルム、又は紙類などがある。 The substrate 2201 may be a substrate in which a semiconductor film is provided over an insulating substrate. Examples of the insulating substrate include a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, a metal substrate, a stainless steel substrate, a substrate having a stainless steel foil, a tungsten substrate, a substrate having a tungsten foil, a flexible substrate, and a bonded substrate. Examples thereof include a film, a paper containing a fibrous material, and a base film. Examples of the glass substrate include barium borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, and soda lime glass. As an example of the flexible substrate, there are plastics typified by polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), and polyethersulfone (PES), or a synthetic resin having flexibility such as acrylic. Examples of the laminated film include polypropylene, polyester, polyvinyl fluoride, and polyvinyl chloride. Examples of the base film include polyester, polyamide, polyimide, aramid, epoxy, inorganic vapor deposition film, and papers.

なお、ある基板を用いて半導体素子を形成し、その後、別の基板に半導体素子を転置してもよい。半導体素子が転置される基板の一例としては、上述した基板に加え、紙基板、セロファン基板、アラミドフィルム基板、ポリイミドフィルム基板、石材基板、木材基板、布基板(天然繊維(絹、綿、麻)、合成繊維(ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル)若しくは再生繊維(アセテート、キュプラ、レーヨン、再生ポリエステルなどを含む)、皮革基板、又はゴム基板などがある。これらの基板を用いることにより、特性のよいトランジスタの形成、消費電力の小さいトランジスタの形成、壊れにくい装置の製造、耐熱性の付与、軽量化、又は薄型化を図ることができる。 Note that a semiconductor element may be formed using a certain substrate, and then the semiconductor element may be transferred to another substrate. Examples of substrates on which semiconductor elements are transferred include paper substrates, cellophane substrates, aramid film substrates, polyimide film substrates, stone substrates, wood substrates, cloth substrates (natural fibers (silk, cotton, hemp)) , Synthetic fibers (nylon, polyurethane, polyester) or recycled fibers (including acetate, cupra, rayon, recycled polyester, etc.), leather substrates, rubber substrates, etc. By using these substrates, transistors with good characteristics can be obtained. Formation, formation of a transistor with low power consumption, manufacture of a device that is not easily broken, imparting heat resistance, weight reduction, or thickness reduction can be achieved.

トランジスタ2200は、素子分離層2204により、基板2201に形成される他のトランジスタと分離されている。素子分離層2204は、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。 The transistor 2200 is separated from other transistors formed over the substrate 2201 by an element isolation layer 2204. The element isolation layer 2204 includes aluminum oxide, aluminum oxynitride, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, and hafnium oxide. An insulator containing one or more selected from tantalum oxide and the like can be used.

ここで、下層に設けられるトランジスタ2200にシリコン系半導体材料を用いた場合、トランジスタ2200の半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端し、トランジスタ2200の信頼性を向上させる効果がある。一方、上層に設けられるトランジスタ2100に酸化物半導体を用いた場合、トランジスタ2100の半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体中にキャリアを生成する要因の一つとなるため、トランジスタ2100の信頼性を低下させる要因となる場合がある。したがって、シリコン系半導体材料を用いたトランジスタ2200の上層に酸化物半導体を用いたトランジスタ2100を積層して設ける場合、これらの間に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層2207を設けることは特に効果的である。絶縁層2207により、下層に水素を閉じ込めることでトランジスタ2200の信頼性が向上することに加え、下層から上層に水素が拡散することが抑制されることでトランジスタ2100の信頼性も同時に向上させることができる。 Here, in the case where a silicon-based semiconductor material is used for the transistor 2200 provided in the lower layer, hydrogen in the insulating layer provided in the vicinity of the semiconductor layer of the transistor 2200 terminates a dangling bond of silicon, thereby improving the reliability of the transistor 2200. There is an effect to improve. On the other hand, in the case where an oxide semiconductor is used for the transistor 2100 provided in the upper layer, hydrogen in the insulating layer provided in the vicinity of the semiconductor layer of the transistor 2100 serves as one factor for generating carriers in the oxide semiconductor. In some cases, the reliability of the transistor 2100 may be reduced. Therefore, in the case where the transistor 2100 using an oxide semiconductor is stacked over the transistor 2200 using a silicon-based semiconductor material, it is particularly preferable to provide the insulating layer 2207 having a function of preventing hydrogen diffusion therebetween. It is effective. In addition to improving the reliability of the transistor 2200 by confining hydrogen in the lower layer with the insulating layer 2207, the reliability of the transistor 2100 can be improved at the same time by suppressing diffusion of hydrogen from the lower layer to the upper layer. it can.

絶縁層2207としては、例えば酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。 As the insulating layer 2207, for example, aluminum oxide, aluminum oxynitride, gallium oxide, gallium oxynitride, yttrium oxide, yttrium oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, yttria-stabilized zirconia (YSZ), or the like can be used.

また、酸化物半導体層を含んで構成されるトランジスタ2100を覆うように、トランジスタ2100上に水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層2208を形成することが好ましい。絶縁層2208としては、絶縁層2207と同様の材料を用いることができ、特に酸化アルミニウムを適用することが好ましい。酸化アルミニウム膜は、水素、水分などの不純物及び酸素の双方に対して膜を透過させない遮断(ブロッキング)効果が高い。したがって、トランジスタ2100を覆う絶縁層2208として酸化アルミニウム膜を用いることで、トランジスタ2100に含まれる酸化物半導体層からの酸素の脱離を防止するとともに、酸化物半導体層への水及び水素の混入を防止することができる。 In addition, an insulating layer 2208 having a function of preventing hydrogen diffusion is preferably formed over the transistor 2100 so as to cover the transistor 2100 including an oxide semiconductor layer. As the insulating layer 2208, a material similar to that of the insulating layer 2207 can be used, and aluminum oxide is particularly preferably used. The aluminum oxide film has a high blocking effect that prevents the film from permeating both impurities such as hydrogen and moisture and oxygen. Therefore, by using an aluminum oxide film as the insulating layer 2208 that covers the transistor 2100, oxygen is prevented from being released from the oxide semiconductor layer included in the transistor 2100 and water and hydrogen are prevented from entering the oxide semiconductor layer. Can be prevented.

なお、トランジスタ2200は、プレーナ型のトランジスタだけでなく、様々なタイプのトランジスタとすることができる。例えば、FIN(フィン)型、TRI−GATE(トライゲート)型などのトランジスタなどとすることができる。その場合の断面図の例を、図7(D)に示す。半導体基板2211の上に、絶縁層2212が設けられている。半導体基板2211は、先端の細い凸部(フィンともいう。)を有する。なお、凸部の上には、絶縁膜が設けられていてもよい。その絶縁膜は、凸部を形成するときに、半導体基板2211がエッチングされないようにするためのマスクとして機能するものである。なお、凸部は、先端が細くなくてもよく、例えば、略直方体の凸部であってもよいし、先端が太い凸部であってもよい。半導体基板2211の凸部の上には、ゲート絶縁膜2214が設けられ、その上には、ゲート電極2213が設けられている。半導体基板2211には、ソース領域およびドレイン領域2215が形成されている。なお、ここでは、半導体基板2211が、凸部を有する例を示したが、本発明の一態様に係る半導体装置は、これに限定されない。例えば、SOI基板を加工して、凸部を有する半導体領域を形成しても構わない。 Note that the transistor 2200 can be a transistor of various types as well as a planar transistor. For example, a transistor of FIN (fin) type, TRI-GATE (trigate) type, or the like can be used. An example of a cross-sectional view in that case is shown in FIG. An insulating layer 2212 is provided over the semiconductor substrate 2211. The semiconductor substrate 2211 has a protruding portion (also referred to as a fin) with a thin tip. Note that an insulating film may be provided on the convex portion. The insulating film functions as a mask for preventing the semiconductor substrate 2211 from being etched when the convex portion is formed. In addition, the convex part does not need to have a thin tip, for example, it may be a substantially rectangular parallelepiped convex part or a thick convex part. A gate insulating film 2214 is provided on the convex portion of the semiconductor substrate 2211, and a gate electrode 2213 is provided thereon. A source region and a drain region 2215 are formed in the semiconductor substrate 2211. Note that although the example in which the semiconductor substrate 2211 includes a convex portion is described here, the semiconductor device according to one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, an SOI substrate may be processed to form a semiconductor region having a convex portion.

なお、図7(A)及び(D)において、符号及びハッチングパターンが与えられていない領域は絶縁体で構成された領域を表している。これらの領域には、酸化アルミニウム、窒化酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどから選ばれた一種以上含む絶縁体を用いることができる。また、当該領域には、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シロキサン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の有機樹脂を用いることもできる。 Note that in FIGS. 7A and 7D, a region to which no code or hatching pattern is given represents a region formed of an insulator. These regions include aluminum oxide, aluminum nitride oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride oxide, silicon nitride, gallium oxide, germanium oxide, yttrium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, hafnium oxide An insulator containing one or more selected from tantalum oxide and the like can be used. In the region, an organic resin such as a polyimide resin, a polyamide resin, an acrylic resin, a siloxane resin, an epoxy resin, or a phenol resin can be used.

上記構成において、トランジスタ2100やトランジスタ2200の電極の接続構成を異ならせることにより、様々な回路を構成することができる。以下では、本発明の一態様の半導体装置を用いることにより実現できる回路構成の例を説明する。 In the above structure, various circuits can be formed by changing connection structures of the electrodes of the transistor 2100 and the transistor 2200. An example of a circuit configuration that can be realized by using the semiconductor device of one embodiment of the present invention will be described below.

図7(B)に示す回路図は、pチャネル型のトランジスタ2200とnチャネル型のトランジスタ2100を直列に接続し、且つそれぞれのゲートを接続した、いわゆるCMOS回路の構成を示している。 The circuit diagram illustrated in FIG. 7B illustrates a structure of a so-called CMOS circuit in which a p-channel transistor 2200 and an n-channel transistor 2100 are connected in series and gates thereof are connected.

また図7(C)に示す回路図は、トランジスタ2100とトランジスタ2200のそれぞれのソースとドレインを接続した構成を示している。このような構成とすることで、いわゆるアナログスイッチとして機能させることができる。 In addition, the circuit diagram illustrated in FIG. 7C illustrates a structure in which the sources and drains of the transistors 2100 and 2200 are connected to each other. With such a configuration, it can function as a so-called analog switch.

本発明の一態様であるトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置(記憶装置)の一例を図8に示す。 FIG. 8 illustrates an example of a semiconductor device (memory device) in which a transistor which is one embodiment of the present invention is used and stored data can be stored even when power is not supplied and the number of writing operations is not limited.

図8(A)に示す半導体装置は、第1の半導体材料を用いたトランジスタ3200と第2の半導体材料を用いたトランジスタ3300、および容量素子3400を有している。なお、トランジスタ3300としては、実施の形態1で説明したトランジスタを用いることができる。 A semiconductor device illustrated in FIG. 8A includes a transistor 3200 using a first semiconductor material, a transistor 3300 using a second semiconductor material, and a capacitor 3400. Note that as the transistor 3300, the transistor described in Embodiment 1 can be used.

トランジスタ3300は、酸化物半導体を有する半導体層にチャネルが形成されるトランジスタである。トランジスタ3300は、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作を必要としない、或いは、リフレッシュ動作の頻度が極めて少ない半導体記憶装置とすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。 The transistor 3300 is a transistor in which a channel is formed in a semiconductor layer including an oxide semiconductor. Since the transistor 3300 has low off-state current, stored data can be held for a long time by using the transistor 3300. In other words, since it is possible to obtain a semiconductor memory device that does not require a refresh operation or has a very low frequency of the refresh operation, power consumption can be sufficiently reduced.

図8(A)において、第1の配線3001はトランジスタ3200のソース電極と電気的に接続され、第2の配線3002はトランジスタ3200のドレイン電極と電気的に接続されている。また、第3の配線3003はトランジスタ3300のソース電極及びドレイン電極の一方と電気的に接続され、第4の配線3004はトランジスタ3300のゲート電極と電気的に接続されている。そして、トランジスタ3200のゲート電極、およびトランジスタ3300のソース電極及びドレイン電極の他方は、容量素子3400の第1の端子と電気的に接続され、第5の配線3005は容量素子3400の第2の端子と電気的に接続されている。 In FIG. 8A, the first wiring 3001 is electrically connected to the source electrode of the transistor 3200, and the second wiring 3002 is electrically connected to the drain electrode of the transistor 3200. The third wiring 3003 is electrically connected to one of a source electrode and a drain electrode of the transistor 3300, and the fourth wiring 3004 is electrically connected to a gate electrode of the transistor 3300. The other of the gate electrode of the transistor 3200 and the source and drain electrodes of the transistor 3300 is electrically connected to the first terminal of the capacitor 3400, and the fifth wiring 3005 is a second terminal of the capacitor 3400. And are electrically connected.

図8(A)に示す半導体装置では、トランジスタ3200のゲート電極の電位が保持可能という特徴を活かすことで、次のように、情報の書き込み、保持、読み出しが可能である。 In the semiconductor device illustrated in FIG. 8A, information can be written, held, and read as follows by utilizing the feature that the potential of the gate electrode of the transistor 3200 can be held.

情報の書き込みおよび保持について説明する。まず、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオン状態となる電位にして、トランジスタ3300をオン状態とする。これにより、第3の配線3003の電位が、トランジスタ3200のゲート電極、および容量素子3400に与えられる。すなわち、トランジスタ3200のゲートには、所定の電荷が与えられる(書き込み)。ここでは、異なる二つの電位レベルを与える電荷(以下Lowレベル電荷、Highレベル電荷という)のいずれかが与えられるものとする。その後、第4の配線3004の電位を、トランジスタ3300がオフ状態となる電位にして、トランジスタ3300をオフ状態とすることにより、トランジスタ3200のゲートに与えられた電荷が保持される(保持)。 Information writing and holding will be described. First, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned on, so that the transistor 3300 is turned on. Accordingly, the potential of the third wiring 3003 is supplied to the gate electrode of the transistor 3200 and the capacitor 3400. That is, predetermined charge is supplied to the gate of the transistor 3200 (writing). Here, it is assumed that one of two charges (hereinafter, referred to as low level charge and high level charge) that gives two different potential levels is given. After that, the potential of the fourth wiring 3004 is set to a potential at which the transistor 3300 is turned off, so that the transistor 3300 is turned off, whereby the charge given to the gate of the transistor 3200 is held (held).

トランジスタ3300のオフ電流は極めて小さいため、トランジスタ3200のゲートの電荷は長時間にわたって保持される。 Since the off-state current of the transistor 3300 is extremely small, the charge of the gate of the transistor 3200 is held for a long time.

次に情報の読み出しについて説明する。第1の配線3001に所定の電位(定電位)を与えた状態で、第5の配線3005に適切な電位(読み出し電位)を与えると、トランジスタ3200のゲートに保持された電荷量に応じて、第2の配線3002は異なる電位をとる。一般に、トランジスタ3200をnチャネル型とすると、トランジスタ3200のゲート電極にHighレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Hは、トランジスタ3200のゲート電極にLowレベル電荷が与えられている場合の見かけのしきい値Vth_Lより低くなるためである。ここで、見かけのしきい値電圧とは、トランジスタ3200を「オン状態」とするために必要な第5の配線3005の電位をいうものとする。したがって、第5の配線3005の電位をVth_HとVth_Lの間の電位Vとすることにより、トランジスタ3200のゲートに与えられた電荷を判別できる。例えば、書き込みにおいて、Highレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(>Vth_H)となれば、トランジスタ3200は「オン状態」となる。Lowレベル電荷が与えられていた場合には、第5の配線3005の電位がV(<Vth_L)となっても、トランジスタ3200は「オフ状態」のままである。このため、第2の配線3002の電位を判別することで、保持されている情報を読み出すことができる。 Next, reading of information will be described. When an appropriate potential (reading potential) is applied to the fifth wiring 3005 in a state where a predetermined potential (constant potential) is applied to the first wiring 3001, according to the amount of charge held in the gate of the transistor 3200, The second wiring 3002 has different potentials. In general, when the transistor 3200 is an n-channel transistor, the apparent threshold V th_H in the case where a high-level charge is applied to the gate electrode of the transistor 3200 is a low-level charge applied to the gate electrode of the transistor 3200. This is because it becomes lower than the apparent threshold value V th_L of the case. Here, the apparent threshold voltage refers to the potential of the fifth wiring 3005 necessary for turning on the transistor 3200. Therefore, the charge applied to the gate of the transistor 3200 can be determined by setting the potential of the fifth wiring 3005 to a potential V 0 between V th_H and V th_L . For example, in the case where a high-level charge is applied in writing, the transistor 3200 is turned on when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (> V th_H ). In the case where a low-level charge is supplied , the transistor 3200 remains in the “off state” even when the potential of the fifth wiring 3005 is V 0 (<V th_L ). Therefore, the stored information can be read by determining the potential of the second wiring 3002.

なお、メモリセルをアレイ状に配置して用いる場合、所望のメモリセルの情報のみを読み出せることが必要になる。このように情報を読み出さない場合には、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オフ状態」となるような電位、つまり、Vth_Hより小さい電位を第5の配線3005に与えればよい。または、ゲートの状態にかかわらずトランジスタ3200が「オン状態」となるような電位、つまり、Vth_Lより大きい電位を第5の配線3005に与えればよい。 Note that in the case of using memory cells arranged in an array, it is necessary to read only information of a desired memory cell. In the case where information is not read out in this manner, the fifth wiring 3005 may be supplied with a potential at which the transistor 3200 is turned off regardless of the state of the gate, that is, a potential lower than V th_H . Alternatively , a potential that turns on the transistor 3200 regardless of the state of the gate, that is, a potential higher than V th_L may be supplied to the fifth wiring 3005.

図8(B)に示す半導体装置は、トランジスタ3200を設けていない点で図8(A)と相違している。この場合も上記と同様の動作により情報の書き込み及び保持動作が可能である。 The semiconductor device illustrated in FIG. 8B is different from FIG. 8A in that the transistor 3200 is not provided. In this case, information can be written and held by the same operation as described above.

次に、図8(B)に示す半導体装置の情報の読み出しについて説明する。トランジスタ3300がオン状態となると、浮遊状態である第3の配線3003と容量素子3400とが導通し、第3の配線3003と容量素子3400の間で電荷が再分配される。その結果、第3の配線3003の電位が変化する。第3の配線3003の電位の変化量は、容量素子3400の第1の端子の電位(または容量素子3400に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。 Next, reading of information from the semiconductor device illustrated in FIG. 8B is described. When the transistor 3300 is turned on, the third wiring 3003 in a floating state and the capacitor 3400 are brought into conduction, and charge is redistributed between the third wiring 3003 and the capacitor 3400. As a result, the potential of the third wiring 3003 changes. The amount of change in potential of the third wiring 3003 varies depending on the potential of the first terminal of the capacitor 3400 (or charge accumulated in the capacitor 3400).

例えば、容量素子3400の第1の端子の電位をV、容量素子3400の容量をC、第3の配線3003が有する容量成分をCB、電荷が再分配される前の第3の配線3003の電位をVB0とすると、電荷が再分配された後の第3の配線3003の電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。したがって、メモリセルの状態として、容量素子3400の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合の第3の配線3003の電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合の第3の配線3003の電位(=CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。 For example, the potential of the first terminal of the capacitor 3400 is V, the capacitance of the capacitor 3400 is C, the capacitance component of the third wiring 3003 is CB, and the potential of the third wiring 3003 before charge is redistributed Is VB0, the potential of the third wiring 3003 after the charge is redistributed is (CB × VB0 + C × V) / (CB + C). Therefore, when the potential of the first terminal of the capacitor 3400 assumes two states of V1 and V0 (V1> V0) as the state of the memory cell, the third wiring 3003 in the case where the potential V1 is held. The potential (= (CB × VB0 + C × V1) / (CB + C)) is higher than the potential of the third wiring 3003 when the potential V0 is held (= CB × VB0 + C × V0) / (CB + C)). I understand that.

そして、第3の配線3003の電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。 Then, information can be read by comparing the potential of the third wiring 3003 with a predetermined potential.

この場合、メモリセルを駆動させるための駆動回路に上記第1の半導体材料が適用されたトランジスタを用い、トランジスタ3300として第2の半導体材料が適用されたトランジスタを駆動回路上に積層して設ける構成とすればよい。 In this case, a transistor to which the first semiconductor material is applied is used for a driver circuit for driving the memory cell, and a transistor to which the second semiconductor material is applied is stacked over the driver circuit as the transistor 3300. And it is sufficient.

本実施の形態に示す半導体装置では、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いたオフ電流の極めて小さいトランジスタを適用することで、極めて長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。つまり、リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。また、電力の供給がない場合(ただし、電位は固定されていることが望ましい)であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。 In the semiconductor device described in this embodiment, stored data can be held for an extremely long time by using a transistor with an extremely small off-state current that uses an oxide semiconductor for a channel formation region. That is, the refresh operation is not necessary or the frequency of the refresh operation can be extremely low, so that power consumption can be sufficiently reduced. In addition, stored data can be held for a long time even when power is not supplied (note that a potential is preferably fixed).

また、本実施の形態に示す半導体装置では、情報の書き込みに高い電圧を必要とせず、素子の劣化の問題もない。例えば、従来の不揮発性メモリのように、フローティングゲートへの電子の注入や、フローティングゲートからの電子の引き抜きを行う必要がないため、ゲート絶縁膜の劣化といった問題が全く生じない。すなわち、開示する発明に係る半導体装置では、従来の不揮発性メモリで問題となっている書き換え可能回数に制限はなく、信頼性が飛躍的に向上する。さらに、トランジスタのオン状態、オフ状態によって、情報の書き込みが行われるため、高速な動作も容易に実現しうる。 In addition, in the semiconductor device described in this embodiment, high voltage is not needed for writing data and there is no problem of deterioration of elements. For example, unlike the conventional nonvolatile memory, it is not necessary to inject electrons into the floating gate or extract electrons from the floating gate, so that there is no problem of deterioration of the gate insulating film. That is, in the semiconductor device according to the disclosed invention, the number of rewritable times that is a problem in the conventional nonvolatile memory is not limited, and the reliability is dramatically improved. Further, since data is written depending on the on / off state of the transistor, high-speed operation can be easily realized.

(実施の形態6)
本実施の形態では、先の実施の形態で説明したトランジスタ、または記憶装置を含むRFIDタグについて、図9を参照して説明する。
(Embodiment 6)
In this embodiment, an RFID tag including the transistor or the memory device described in the above embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施の形態におけるRFIDタグは、内部に記憶回路を有し、記憶回路に必要な情報を記憶し、非接触手段、例えば無線通信を用いて外部と情報の授受を行うものである。このような特徴から、RFIDタグは、物品などの個体情報を読み取ることにより物品の識別を行う個体認証システムなどに用いることが可能である。なお、これらの用途に用いるためには極めて高い信頼性が要求される。 The RFID tag in this embodiment has a storage circuit inside, stores necessary information in the storage circuit, and exchanges information with the outside using non-contact means, for example, wireless communication. Because of these characteristics, the RFID tag can be used in an individual authentication system that identifies an article by reading individual information such as the article. Note that extremely high reliability is required for use in these applications.

RFIDタグの構成について図9を用いて説明する。図9は、RFIDタグの構成例を示すブロック図である。 The configuration of the RFID tag will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of an RFID tag.

図9に示すようにRFIDタグ800は、通信器801(質問器、リーダ/ライタなどともいう)に接続されたアンテナ802から送信される無線信号803を受信するアンテナ804を有する。またRFIDタグ800は、整流回路805、定電圧回路806、復調回路807、変調回路808、論理回路809、記憶回路810、ROM811を有している。なお、復調回路807に含まれる整流作用を示すトランジスタに逆方向電流を十分に抑制することが可能な材料、例えば、酸化物半導体、が用いられた構成としてもよい。これにより、逆方向電流に起因する整流作用の低下を抑制し、復調回路の出力が飽和することを防止できる。つまり、復調回路の入力に対する復調回路の出力を線形に近づけることができる。なお、データの伝送形式は、一対のコイルを対向配置して相互誘導によって交信を行う電磁結合方式、誘導電磁界によって交信する電磁誘導方式、電波を利用して交信する電波方式の3つに大別される。本実施の形態に示すRFIDタグ800は、そのいずれの方式に用いることも可能である。 As shown in FIG. 9, the RFID tag 800 includes an antenna 804 that receives a radio signal 803 transmitted from an antenna 802 connected to a communication device 801 (also referred to as an interrogator or a reader / writer). The RFID tag 800 includes a rectifier circuit 805, a constant voltage circuit 806, a demodulation circuit 807, a modulation circuit 808, a logic circuit 809, a storage circuit 810, and a ROM 811. Note that a material that can sufficiently suppress a reverse current, such as an oxide semiconductor, may be used for the transistor including the rectifying action included in the demodulation circuit 807. Thereby, the fall of the rectification effect | action resulting from a reverse current can be suppressed, and it can prevent that the output of a demodulation circuit is saturated. That is, the output of the demodulation circuit with respect to the input of the demodulation circuit can be made closer to linear. Note that there are three major data transmission formats: an electromagnetic coupling method in which a pair of coils are arranged facing each other to perform communication by mutual induction, an electromagnetic induction method in which communication is performed by an induction electromagnetic field, and a radio wave method in which communication is performed using radio waves. Separated. The RFID tag 800 described in this embodiment can be used for any of the methods.

次に各回路の構成について説明する。アンテナ804は、通信器801に接続されたアンテナ802との間で無線信号803の送受信を行うためのものである。また、整流回路805は、アンテナ804で無線信号を受信することにより生成される入力交流信号を整流、例えば、半波2倍圧整流し、後段に設けられた容量素子により、整流された信号を平滑化することで入力電位を生成するための回路である。なお、整流回路805の入力側または出力側には、リミッタ回路を設けてもよい。リミッタ回路とは、入力交流信号の振幅が大きく、内部生成電圧が大きい場合に、ある電力以上の電力を後段の回路に入力しないように制御するための回路である。 Next, the configuration of each circuit will be described. The antenna 804 is for transmitting and receiving a radio signal 803 to and from the antenna 802 connected to the communication device 801. Further, the rectifier circuit 805 rectifies an input AC signal generated by receiving a radio signal by the antenna 804, for example, half-wave double voltage rectification, and the signal rectified by a capacitive element provided in the subsequent stage. It is a circuit for generating an input potential by smoothing. Note that a limiter circuit may be provided on the input side or the output side of the rectifier circuit 805. The limiter circuit is a circuit for controlling not to input more than a certain amount of power to a subsequent circuit when the amplitude of the input AC signal is large and the internally generated voltage is large.

定電圧回路806は、入力電位から安定した電源電圧を生成し、各回路に供給するための回路である。なお、定電圧回路806は、内部にリセット信号生成回路を有していてもよい。リセット信号生成回路は、安定した電源電圧の立ち上がりを利用して、論理回路809のリセット信号を生成するための回路である。 The constant voltage circuit 806 is a circuit for generating a stable power supply voltage from the input potential and supplying it to each circuit. Note that the constant voltage circuit 806 may include a reset signal generation circuit. The reset signal generation circuit is a circuit for generating a reset signal of the logic circuit 809 using a stable rise of the power supply voltage.

復調回路807は、入力交流信号を包絡線検出することにより復調し、復調信号を生成するための回路である。また、変調回路808は、アンテナ804より出力するデータに応じて変調をおこなうための回路である。 The demodulation circuit 807 is a circuit for demodulating an input AC signal by detecting an envelope and generating a demodulated signal. The modulation circuit 808 is a circuit for performing modulation according to data output from the antenna 804.

論理回路809は復調信号を解析し、処理を行うための回路である。記憶回路810は、入力された情報を保持する回路であり、ロウデコーダ、カラムデコーダ、記憶領域などを有する。また、ROM811は、固有番号(ID)などを格納し、処理に応じて出力を行うための回路である。 A logic circuit 809 is a circuit for analyzing and processing the demodulated signal. The memory circuit 810 is a circuit that holds input information and includes a row decoder, a column decoder, a storage area, and the like. The ROM 811 is a circuit for storing a unique number (ID) or the like and outputting it according to processing.

なお、上述の各回路は、必要に応じて、適宜、取捨することができる。 Note that the above-described circuits can be appropriately disposed as necessary.

ここで、先の実施の形態で説明した記憶回路を、記憶回路810に用いることができる。本発明の一態様の記憶回路は、電源が遮断された状態であっても情報を保持できるため、RFIDタグに好適に用いることができる。さらに本発明の一態様の記憶回路は、データの書き込みに必要な電力(電圧)が従来の不揮発性メモリに比べて著しく小さいため、データの読み出し時と書込み時の最大通信距離の差を生じさせないことも可能である。さらに、データの書き込み時に電力が不足し、誤動作または誤書込みが生じることを抑制することができる。 Here, the memory circuit described in the above embodiment can be used for the memory circuit 810. The memory circuit of one embodiment of the present invention can hold information even when the power is cut off, and thus can be preferably used for an RFID tag. Further, the memory circuit of one embodiment of the present invention does not cause a difference in maximum communication distance between data reading and writing because power (voltage) necessary for data writing is significantly smaller than that of a conventional nonvolatile memory. It is also possible. Furthermore, it is possible to suppress the occurrence of malfunction or erroneous writing due to insufficient power during data writing.

また、本発明の一態様の記憶回路は、不揮発性のメモリとして用いることが可能であるため、ROM811に適用することもできる。その場合には、生産者がROM811にデータを書き込むためのコマンドを別途用意し、ユーザが自由に書き換えできないようにしておくことが好ましい。生産者が出荷前に固有番号を書込んだのちに製品を出荷することで、作製したRFIDタグすべてについて固有番号を付与するのではなく、出荷する良品にのみ固有番号を割り当てることが可能となり、出荷後の製品の固有番号が不連続になることがなく出荷後の製品に対応した顧客管理が容易となる。 The memory circuit of one embodiment of the present invention can also be applied to the ROM 811 because it can be used as a nonvolatile memory. In that case, it is preferable that the producer separately prepares a command for writing data in the ROM 811 so that the user cannot freely rewrite the command. By shipping the product after the producer has written the unique number before shipping, it is possible to assign a unique number only to the good products to be shipped, rather than assigning a unique number to all RFID tags produced, The unique number of the product after shipment does not become discontinuous, and customer management corresponding to the product after shipment becomes easy.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態7)
本実施の形態では、少なくとも実施の形態で説明したトランジスタを用いることができ、先の実施の形態で説明した記憶装置を含むCPUについて説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment, a CPU including at least the transistor described in the above embodiment and including the memory device described in the above embodiment will be described.

図10は、先の実施の形態で説明したトランジスタを少なくとも一部に用いたCPUの一例の構成を示すブロック図である。 FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of a CPU using at least part of the transistor described in the above embodiment.

図10に示すCPUは、基板1190上に、ALU1191(ALU:Arithmetic logic unit、演算回路)、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、タイミングコントローラ1195、レジスタ1196、レジスタコントローラ1197、バスインターフェース1198(Bus I/F)、書き換え可能なROM1199、およびROMインターフェース1189(ROM I/F)を有している。基板1190は、半導体基板、SOI基板、ガラス基板などを用いる。ROM1199およびROMインターフェース1189は、別チップに設けてもよい。もちろん、図10に示すCPUは、その構成を簡略化して示した一例にすぎず、実際のCPUはその用途によって多種多様な構成を有している。例えば、図10に示すCPUまたは演算回路を含む構成を一つのコアとし、当該コアを複数含み、それぞれのコアが並列で動作するような構成としてもよい。また、CPUが内部演算回路やデータバスで扱えるビット数は、例えば8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどとすることができる。 10 includes an ALU 1191 (ALU: arithmetic logic unit), an ALU controller 1192, an instruction decoder 1193, an interrupt controller 1194, a timing controller 1195, a register 1196, a register controller 1197, and a bus interface 1198. (Bus I / F), a rewritable ROM 1199, and a ROM interface 1189 (ROM I / F). As the substrate 1190, a semiconductor substrate, an SOI substrate, a glass substrate, or the like is used. The ROM 1199 and the ROM interface 1189 may be provided in separate chips. Needless to say, the CPU illustrated in FIG. 10 is just an example in which the configuration is simplified, and an actual CPU may have various configurations depending on the application. For example, the configuration including the CPU or the arithmetic circuit illustrated in FIG. 10 may be a single core, and a plurality of the cores may be included so that each core operates in parallel. Further, the number of bits that the CPU can handle with the internal arithmetic circuit or the data bus can be, for example, 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, or the like.

バスインターフェース1198を介してCPUに入力された命令は、インストラクションデコーダ1193に入力され、デコードされた後、ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195に入力される。 Instructions input to the CPU via the bus interface 1198 are input to the instruction decoder 1193, decoded, and then input to the ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195.

ALUコントローラ1192、インタラプトコントローラ1194、レジスタコントローラ1197、タイミングコントローラ1195は、デコードされた命令に基づき、各種制御を行なう。具体的にALUコントローラ1192は、ALU1191の動作を制御するための信号を生成する。また、インタラプトコントローラ1194は、CPUのプログラム実行中に、外部の入出力装置や、周辺回路からの割り込み要求を、その優先度やマスク状態から判断し、処理する。レジスタコントローラ1197は、レジスタ1196のアドレスを生成し、CPUの状態に応じてレジスタ1196の読み出しや書き込みを行なう。 The ALU controller 1192, interrupt controller 1194, register controller 1197, and timing controller 1195 perform various controls based on the decoded instructions. Specifically, the ALU controller 1192 generates a signal for controlling the operation of the ALU 1191. The interrupt controller 1194 determines and processes an interrupt request from an external input / output device or a peripheral circuit from the priority or mask state during execution of the CPU program. The register controller 1197 generates an address of the register 1196, and reads and writes the register 1196 according to the state of the CPU.

また、タイミングコントローラ1195は、ALU1191、ALUコントローラ1192、インストラクションデコーダ1193、インタラプトコントローラ1194、およびレジスタコントローラ1197の動作のタイミングを制御する信号を生成する。例えばタイミングコントローラ1195は、基準クロック信号CLK1を元に、内部クロック信号CLK2を生成する内部クロック生成部を備えており、内部クロック信号CLK2を上記各種回路に供給する。 In addition, the timing controller 1195 generates a signal for controlling the operation timing of the ALU 1191, the ALU controller 1192, the instruction decoder 1193, the interrupt controller 1194, and the register controller 1197. For example, the timing controller 1195 includes an internal clock generation unit that generates an internal clock signal CLK2 based on the reference clock signal CLK1, and supplies the internal clock signal CLK2 to the various circuits.

図10に示すCPUでは、レジスタ1196に、メモリセルが設けられている。レジスタ1196のメモリセルとして、先の実施の形態に示したトランジスタを用いることができる。 In the CPU illustrated in FIG. 10, a memory cell is provided in the register 1196. As the memory cell of the register 1196, the transistor described in the above embodiment can be used.

図10に示すCPUにおいて、レジスタコントローラ1197は、ALU1191からの指示に従い、レジスタ1196における保持動作の選択を行う。すなわち、レジスタ1196が有するメモリセルにおいて、フリップフロップによるデータの保持を行うか、容量素子によるデータの保持を行うかを、選択する。フリップフロップによるデータの保持が選択されている場合、レジスタ1196内のメモリセルへの、電源電圧の供給が行われる。容量素子におけるデータの保持が選択されている場合、容量素子へのデータの書き換えが行われ、レジスタ1196内のメモリセルへの電源電圧の供給を停止することができる。 In the CPU illustrated in FIG. 10, the register controller 1197 selects a holding operation in the register 1196 in accordance with an instruction from the ALU 1191. That is, whether to hold data by a flip-flop or to hold data by a capacitor in a memory cell included in the register 1196 is selected. When data retention by the flip-flop is selected, the power supply voltage is supplied to the memory cell in the register 1196. When holding of data in the capacitor is selected, data is rewritten to the capacitor and supply of power supply voltage to the memory cells in the register 1196 can be stopped.

図11は、レジスタ1196として用いることのできる記憶素子の回路図の一例である。記憶素子1200は、電源遮断で記憶データが揮発する回路1201と、電源遮断で記憶データが揮発しない回路1202と、スイッチ1203と、スイッチ1204と、論理素子1206と、容量素子1207と、選択機能を有する回路1220と、を有する。回路1202は、容量素子1208と、トランジスタ1209と、トランジスタ1210と、を有する。なお、記憶素子1200は、必要に応じて、ダイオード、抵抗素子、インダクタなどのその他の素子をさらに有していても良い。 FIG. 11 is an example of a circuit diagram of a memory element that can be used as the register 1196. The memory element 1200 includes a circuit 1201 in which stored data is volatilized by power-off, a circuit 1202 in which stored data is not volatilized by power-off, a switch 1203, a switch 1204, a logic element 1206, a capacitor 1207, and a selection function. Circuit 1220 having. The circuit 1202 includes a capacitor 1208, a transistor 1209, and a transistor 1210. Note that the memory element 1200 may further include other elements such as a diode, a resistance element, and an inductor, as necessary.

ここで、回路1202には、先の実施の形態で説明した記憶装置を用いることができる。記憶素子1200への電源電圧の供給が停止した際、回路1202のトランジスタ1209のゲートには接地電位(0V)、またはトランジスタ1209がオフする電位が入力され続ける構成とする。例えば、トランジスタ1209のゲートが抵抗等の負荷を介して接地される構成とする。 Here, the memory device described in the above embodiment can be used for the circuit 1202. When supply of power supply voltage to the memory element 1200 is stopped, the gate of the transistor 1209 in the circuit 1202 is continuously input with the ground potential (0 V) or the potential at which the transistor 1209 is turned off. For example, the gate of the transistor 1209 is grounded through a load such as a resistor.

スイッチ1203は、一導電型(例えば、nチャネル型)のトランジスタ1213を用いて構成され、スイッチ1204は、一導電型とは逆の導電型(例えば、pチャネル型)のトランジスタ1214を用いて構成した例を示す。ここで、スイッチ1203の第1の端子はトランジスタ1213のソース及びドレインの一方に対応し、スイッチ1203の第2の端子はトランジスタ1213のソース及びドレインの他方に対応し、スイッチ1203はトランジスタ1213のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1213のオン状態またはオフ状態)が選択される。スイッチ1204の第1の端子はトランジスタ1214のソース及びドレインの一方に対応し、スイッチ1204の第2の端子はトランジスタ1214のソース及びドレインの他方に対応し、スイッチ1204はトランジスタ1214のゲートに入力される制御信号RDによって、第1の端子と第2の端子の間の導通または非導通(つまり、トランジスタ1214のオン状態またはオフ状態)が選択される。 The switch 1203 is configured using a transistor 1213 of one conductivity type (eg, n-channel type), and the switch 1204 is configured using a transistor 1214 of conductivity type (eg, p-channel type) opposite to the one conductivity type. An example is shown. Here, the first terminal of the switch 1203 corresponds to one of the source and the drain of the transistor 1213, the second terminal of the switch 1203 corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1213, and the switch 1203 is the gate of the transistor 1213. In accordance with the control signal RD input to the second terminal, conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, the on state or the off state of the transistor 1213) is selected. The first terminal of the switch 1204 corresponds to one of the source and the drain of the transistor 1214, the second terminal of the switch 1204 corresponds to the other of the source and the drain of the transistor 1214, and the switch 1204 is input to the gate of the transistor 1214. The control signal RD selects the conduction or non-conduction between the first terminal and the second terminal (that is, the on state or the off state of the transistor 1214).

トランジスタ1209のソースとドレインの一方は、容量素子1208の一対の電極のうちの一方、およびトランジスタ1210のゲートと電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM2とする。トランジスタ1210のソース及びドレインの一方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)に電気的に接続され、他方は、スイッチ1203の第1の端子と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子はスイッチ1204の第1の端子と電気的に接続される。スイッチ1204の第2の端子は電源電位VDDを供給することのできる配線と電気的に接続される。スイッチ1203の第2の端子と、スイッチ1204の第1の端子(と、論理素子1206の入力端子と、容量素子1207の一対の電極のうちの一方と、は電気的に接続される。ここで、接続部分をノードM1とする。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1207の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、一定の電位が入力される構成とすることができる。例えば、低電源電位(GND等)または高電源電位(VDD等)が入力される構成とすることができる。容量素子1208の一対の電極のうちの他方は、低電源電位を供給することのできる配線(例えばGND線)と電気的に接続される。 One of a source and a drain of the transistor 1209 is electrically connected to one of a pair of electrodes of the capacitor 1208 and a gate of the transistor 1210. Here, the connection part is referred to as a node M2. One of a source and a drain of the transistor 1210 is electrically connected to a wiring (eg, a GND line) that can supply a low power supply potential, and the other is electrically connected to a first terminal of the switch 1203. A second terminal of the switch 1203 is electrically connected to a first terminal of the switch 1204. A second terminal of the switch 1204 is electrically connected to a wiring that can supply the power supply potential VDD. The second terminal of the switch 1203, the first terminal of the switch 1204 (the input terminal of the logic element 1206, and one of the pair of electrodes of the capacitor 1207 are electrically connected. The other of the pair of electrodes of the capacitor 1207 can be input with a constant potential, for example, a low power supply potential (GND or the like) or a high power supply potential ( The other of the pair of electrodes of the capacitor 1207 is electrically connected to a wiring that can supply a low power supply potential (eg, a GND line). A constant potential can be input to the other of the pair of electrodes of the capacitor 1208. For example, a low power supply potential (GND or the like) or a high power supply potential (VDD or the like) is input. The other of the. Pair of electrodes of the capacitor 1208 may be are electrically connected to a wiring capable of supplying a low power supply potential (e.g., GND line).

なお、容量素子1207および容量素子1208は、トランジスタや配線の寄生容量等を積極的に利用することによって省略することも可能である。 Note that the capacitor 1207 and the capacitor 1208 can be omitted by positively using a parasitic capacitance of a transistor or a wiring.

トランジスタ1209の第1ゲート(第1のゲート電極)には、制御信号WEが入力される。スイッチ1203およびスイッチ1204は、制御信号WEとは異なる制御信号RDによって第1の端子と第2の端子の間の導通状態または非導通状態を選択され、一方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間が導通状態のとき他方のスイッチの第1の端子と第2の端子の間は非導通状態となる。 A control signal WE is input to a first gate (first gate electrode) of the transistor 1209. The switch 1203 and the switch 1204 are selected to be in a conductive state or a non-conductive state between the first terminal and the second terminal by a control signal RD different from the control signal WE. When the terminals of the other switch are in a conductive state, the first terminal and the second terminal of the other switch are in a non-conductive state.

トランジスタ1209のソース及びドレインの他方には、回路1201に保持されたデータに対応する信号が入力される。図11では、回路1201から出力された信号が、トランジスタ1209のソースとドレインの他方に入力される例を示した。スイッチ1203の第2の端子から出力される信号は、論理素子1206によってその論理値が反転された反転信号となり、回路1220を介して回路1201に入力される。 A signal corresponding to data held in the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. FIG. 11 illustrates an example in which the signal output from the circuit 1201 is input to the other of the source and the drain of the transistor 1209. A signal output from the second terminal of the switch 1203 becomes an inverted signal obtained by inverting the logic value by the logic element 1206 and is input to the circuit 1201 through the circuit 1220.

なお、図11では、スイッチ1203の第2の端子から出力される信号は、論理素子1206および回路1220を介して回路1201に入力する例を示したがこれに限定されない。スイッチ1203の第2の端子から出力される信号が、論理値を反転させられることなく、回路1201に入力されてもよい。例えば、回路1201内に、入力端子から入力された信号の論理値が反転した信号が保持されるノードが存在する場合に、スイッチ1203の第2の端子から出力される信号を当該ノードに入力することができる。 Note that FIG. 11 illustrates an example in which the signal output from the second terminal of the switch 1203 is input to the circuit 1201 through the logic element 1206 and the circuit 1220; however, the present invention is not limited to this. A signal output from the second terminal of the switch 1203 may be input to the circuit 1201 without inversion of the logical value. For example, when there is a node in the circuit 1201 that holds a signal obtained by inverting the logical value of a signal input from an input terminal, the signal output from the second terminal of the switch 1203 is input to the node. be able to.

また、図11において、記憶素子1200に用いられるトランジスタのうち、トランジスタ1209以外のトランジスタは、酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。例えば、シリコン層またはシリコン基板にチャネルが形成されるトランジスタとすることができる。また、記憶素子1200に用いられるトランジスタ全てを、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタとすることもできる。または、記憶素子1200は、トランジスタ1209以外にも、チャネルが酸化物半導体層で形成されるトランジスタを含んでいてもよく、残りのトランジスタは酸化物半導体以外の半導体でなる層または基板1190にチャネルが形成されるトランジスタとすることもできる。 Further, in FIGS. 11A and 11B, among the transistors used in the memory element 1200, a transistor other than the transistor 1209 can be a transistor in which a channel is formed in a layer formed of a semiconductor other than an oxide semiconductor or the substrate 1190. For example, a transistor in which a channel is formed in a silicon layer or a silicon substrate can be used. Further, all the transistors used for the memory element 1200 can be transistors whose channel is formed using an oxide semiconductor layer. Alternatively, the memory element 1200 may include a transistor whose channel is formed using an oxide semiconductor layer in addition to the transistor 1209, and the remaining transistors may be formed in a layer formed using a semiconductor other than an oxide semiconductor or the substrate 1190. It can also be a formed transistor.

図11における回路1201には、例えばフリップフロップ回路を用いることができる。また、論理素子1206としては、例えばインバータやクロックドインバータ等を用いることができる。 For the circuit 1201 in FIG. 11, for example, a flip-flop circuit can be used. As the logic element 1206, for example, an inverter, a clocked inverter, or the like can be used.

本発明の一態様である半導体装置では、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間は、回路1201に記憶されていたデータを、回路1202に設けられた容量素子1208によって保持することができる。 In the semiconductor device which is one embodiment of the present invention, data stored in the circuit 1201 can be held by the capacitor 1208 provided in the circuit 1202 while the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200.

また、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタはオフ電流が極めて小さい。例えば、酸化物半導体層にチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流は、結晶性を有するシリコンにチャネルが形成されるトランジスタのオフ電流に比べて著しく低い。そのため、当該トランジスタをトランジスタ1209として用いることによって、記憶素子1200に電源電圧が供給されない間も容量素子1208に保持された信号は長期間にわたり保たれる。こうして、記憶素子1200は電源電圧の供給が停止した間も記憶内容(データ)を保持することが可能である。 In addition, a transistor in which a channel is formed in the oxide semiconductor layer has extremely low off-state current. For example, the off-state current of a transistor in which a channel is formed in an oxide semiconductor layer is significantly lower than the off-state current of a transistor in which a channel is formed in crystalline silicon. Therefore, by using the transistor as the transistor 1209, the signal held in the capacitor 1208 is maintained for a long time even when the power supply voltage is not supplied to the memory element 1200. In this manner, the memory element 1200 can hold stored data (data) even while the supply of power supply voltage is stopped.

また、スイッチ1203およびスイッチ1204を設けることによって、プリチャージ動作を行うことを特徴とする記憶素子であるため、電源電圧供給再開後に、回路1201が元のデータを保持しなおすまでの時間を短くすることができる。 Further, by providing the switch 1203 and the switch 1204, the memory element is characterized by performing a precharge operation; therefore, after the supply of power supply voltage is resumed, the time until the circuit 1201 retains the original data again is shortened. be able to.

また、回路1202において、容量素子1208によって保持された信号はトランジスタ1210のゲートに入力される。そのため、記憶素子1200への電源電圧の供給が再開された後、容量素子1208によって保持された信号を、トランジスタ1210の状態(オン状態、またはオフ状態)に変換して、回路1202から読み出すことができる。それ故、容量素子1208に保持された信号に対応する電位が多少変動していても、元の信号を正確に読み出すことが可能である。 In the circuit 1202, the signal held by the capacitor 1208 is input to the gate of the transistor 1210. Therefore, after the supply of the power supply voltage to the memory element 1200 is restarted, the signal held by the capacitor 1208 can be converted into the state of the transistor 1210 (on state or off state) and read from the circuit 1202. it can. Therefore, the original signal can be accurately read even if the potential corresponding to the signal held in the capacitor 1208 slightly fluctuates.

このような記憶素子1200を、プロセッサが有するレジスタやキャッシュメモリなどの記憶装置に用いることで、電源電圧の供給停止による記憶装置内のデータの消失を防ぐことができる。また、電源電圧の供給を再開した後、短時間で電源供給停止前の状態に復帰することができる。よって、プロセッサ全体、もしくはプロセッサを構成する一つ、または複数の論理回路において、短い時間でも電源停止を行うことができるため、消費電力を抑えることができる。 By using such a storage element 1200 for a storage device such as a register or a cache memory included in the processor, loss of data in the storage device due to stop of supply of power supply voltage can be prevented. In addition, after the supply of the power supply voltage is resumed, the state before the power supply stop can be restored in a short time. Accordingly, power can be stopped in a short time in the entire processor or in one or a plurality of logic circuits constituting the processor, so that power consumption can be suppressed.

本実施の形態では、記憶素子1200をCPUに用いる例として説明したが、記憶素子1200は、DSP(Digital Signal Processor)、カスタムLSI、PLD(Programmable Logic Device)等のLSI、RF−ID(Radio Frequency Identification)にも応用可能である。 In this embodiment, the memory element 1200 is described as an example of using the CPU. However, the memory element 1200 is an LSI such as a DSP (Digital Signal Processor), a custom LSI, or a PLD (Programmable Logic Device), or an RF-ID (Radio Frequency Frequency). (Identification).

(実施の形態8)
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置の構成例について説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment, structural examples of the display device of one embodiment of the present invention will be described.

[構成例]
図20(A)は、本発明の一態様の表示装置の上面図であり、図20(B)は、本発明の一態様の表示装置の画素に液晶素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。また、図20(C)は、本発明の一態様の表示装置の画素に有機EL素子を適用する場合に用いることができる画素回路を説明するための回路図である。
[Configuration example]
20A is a top view of the display device of one embodiment of the present invention, and FIG. 20B can be used when a liquid crystal element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention. It is a circuit diagram for demonstrating a pixel circuit. FIG. 20C is a circuit diagram illustrating a pixel circuit that can be used when an organic EL element is applied to a pixel of the display device of one embodiment of the present invention.

画素部に配置するトランジスタは、上記実施の形態に従って形成することができる。また、当該トランジスタはnチャネル型とすることが容易なので、駆動回路のうち、nチャネル型トランジスタで構成することができる駆動回路の一部を画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。このように、画素部や駆動回路に上記実施の形態に示すトランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供することができる。 The transistor provided in the pixel portion can be formed according to the above embodiment mode. In addition, since the transistor can easily be an n-channel transistor, a part of the driver circuit that can be formed using an n-channel transistor is formed over the same substrate as the transistor in the pixel portion. In this manner, a highly reliable display device can be provided by using the transistor described in the above embodiment for the pixel portion and the driver circuit.

アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図20(A)に示す。表示装置の基板700上には、画素部701、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704を有する。画素部701には、複数の信号線が信号線駆動回路704から延伸して配置され、複数の走査線が第1の走査線駆動回路702、及び第2の走査線駆動回路703から延伸して配置されている。なお走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられている。また、表示装置の基板700はFPC(Flexible Printed Circuit)等の接続部を介して、タイミング制御回路(コントローラ、制御ICともいう)に接続されている。 An example of a top view of the active matrix display device is shown in FIG. A pixel portion 701, a first scan line driver circuit 702, a second scan line driver circuit 703, and a signal line driver circuit 704 are provided over a substrate 700 of the display device. In the pixel portion 701, a plurality of signal lines are extended from the signal line driver circuit 704, and a plurality of scan lines are extended from the first scan line driver circuit 702 and the second scan line driver circuit 703. Has been placed. Note that pixels each having a display element are provided in a matrix in the intersection region between the scan line and the signal line. In addition, the substrate 700 of the display device is connected to a timing control circuit (also referred to as a controller or a control IC) through a connection unit such as an FPC (Flexible Printed Circuit).

図20(A)では、第1の走査線駆動回路702、第2の走査線駆動回路703、信号線駆動回路704は、画素部701と同じ基板700上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板700外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板700上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、又は歩留まりの向上を図ることができる。 In FIG. 20A, the first scan line driver circuit 702, the second scan line driver circuit 703, and the signal line driver circuit 704 are formed over the same substrate 700 as the pixel portion 701. For this reason, the number of components such as a drive circuit provided outside is reduced, so that cost can be reduced. Further, when a drive circuit is provided outside the substrate 700, it is necessary to extend the wiring, and the number of connections between the wirings increases. In the case where a driver circuit is provided over the same substrate 700, the number of connections between the wirings can be reduced, so that reliability or yield can be improved.

〔液晶表示装置〕
また、画素の回路構成の一例を図20(B)に示す。ここでは、VA型液晶表示装置の画素に適用することができる画素回路を示す。
[Liquid Crystal Display]
An example of a circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel circuit which can be applied to a pixel of a VA liquid crystal display device is shown.

この画素回路は、一つの画素に複数の画素電極層を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極層は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極層に印加する信号を、独立して制御できる。 This pixel circuit can be applied to a configuration having a plurality of pixel electrode layers in one pixel. Each pixel electrode layer is connected to a different transistor, and each transistor is configured to be driven by a different gate signal. Thereby, the signals applied to the individual pixel electrode layers of the multi-domain designed pixels can be controlled independently.

トランジスタ716のゲート配線712と、トランジスタ717のゲート配線713には、異なるゲート信号を与えることができるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極層又はドレイン電極層714は、トランジスタ716とトランジスタ717で共通に用いられている。トランジスタ716とトランジスタ717は上記実施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。 The gate wiring 712 of the transistor 716 and the gate wiring 713 of the transistor 717 are separated so that different gate signals can be given. On the other hand, the source or drain electrode layer 714 functioning as a data line is used in common for the transistor 716 and the transistor 717. The transistors described in the above embodiments can be used as appropriate as the transistors 716 and 717. Thereby, a highly reliable liquid crystal display device can be provided.

トランジスタ716と電気的に接続する第1の画素電極層と、トランジスタ717と電気的に接続する第2の画素電極層の形状について説明する。第1の画素電極層と第2の画素電極層の形状は、スリットによって分離されている。第1の画素電極層はV字型に広がる形状を有し、第2の画素電極層は第1の画素電極層の外側を囲むように形成される。 The shapes of the first pixel electrode layer electrically connected to the transistor 716 and the second pixel electrode layer electrically connected to the transistor 717 are described. The shapes of the first pixel electrode layer and the second pixel electrode layer are separated by a slit. The first pixel electrode layer has a V-shaped shape, and the second pixel electrode layer is formed so as to surround the outside of the first pixel electrode layer.

トランジスタ716のゲート電極はゲート配線712と接続され、トランジスタ717のゲート電極はゲート配線713と接続されている。ゲート配線712とゲート配線713に異なるゲート信号を与えてトランジスタ716とトランジスタ717の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。 A gate electrode of the transistor 716 is connected to the gate wiring 712, and a gate electrode of the transistor 717 is connected to the gate wiring 713. Different gate signals are given to the gate wiring 712 and the gate wiring 713 so that the operation timings of the transistors 716 and 717 are different, whereby the alignment of the liquid crystal can be controlled.

また、容量配線710と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第1の画素電極層または第2の画素電極層と電気的に接続する容量電極とで保持容量を形成してもよい。 Further, a storage capacitor may be formed using the capacitor wiring 710, a gate insulating film functioning as a dielectric, and a capacitor electrode electrically connected to the first pixel electrode layer or the second pixel electrode layer.

マルチドメイン構造は、一画素に第1の液晶素子718と第2の液晶素子719を備える。第1の液晶素子718は第1の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成され、第2の液晶素子719は第2の画素電極層と対向電極層とその間の液晶層とで構成される。 The multi-domain structure includes a first liquid crystal element 718 and a second liquid crystal element 719 in one pixel. The first liquid crystal element 718 includes a first pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer therebetween, and the second liquid crystal element 719 includes a second pixel electrode layer, a counter electrode layer, and a liquid crystal layer therebetween. Consists of.

なお、図20(B)に示す画素回路は、これに限定されない。例えば、図20(B)に示す画素に新たにスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサ、又は論理回路などを追加してもよい。 Note that the pixel circuit illustrated in FIG. 20B is not limited thereto. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a transistor, a sensor, a logic circuit, or the like may be newly added to the pixel illustrated in FIG.

〔有機EL表示装置〕
画素の回路構成の他の一例を図20(C)に示す。ここでは、有機EL素子を用いた表示装置の画素構造を示す。
[Organic EL display device]
Another example of the circuit configuration of the pixel is shown in FIG. Here, a pixel structure of a display device using an organic EL element is shown.

有機EL素子は、発光素子に電圧を印加することにより、一対の電極の一方から電子が、他方から正孔がそれぞれ発光性の有機化合物を含む層に注入され、電流が流れる。そして、電子および正孔が再結合することにより、発光性の有機化合物が励起状態を形成し、その励起状態が基底状態に戻る際に発光する。このようなメカニズムから、このような発光素子は、電流励起型の発光素子と呼ばれる。 In the organic EL element, by applying a voltage to the light-emitting element, electrons are injected from one of the pair of electrodes and holes from the other into the layer containing the light-emitting organic compound, and a current flows. Then, by recombination of electrons and holes, the light-emitting organic compound forms an excited state, and emits light when the excited state returns to the ground state. Due to such a mechanism, such a light-emitting element is referred to as a current-excitation light-emitting element.

図20(C)は、適用可能な画素回路の一例を示す図である。ここではnチャネル型のトランジスタを1つの画素に2つ用いる例を示す。なお、本発明の一態様の金属酸化物膜は、nチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。また、当該画素回路は、デジタル時間階調駆動を適用することができる。 FIG. 20C illustrates an example of an applicable pixel circuit. Here, an example in which two n-channel transistors are used for one pixel is shown. Note that the metal oxide film of one embodiment of the present invention can be used for a channel formation region of an n-channel transistor. In addition, digital time grayscale driving can be applied to the pixel circuit.

適用可能な画素回路の構成及びデジタル時間階調駆動を適用した場合の画素の動作について説明する。 An applicable pixel circuit configuration and pixel operation when digital time gray scale driving is applied will be described.

画素720は、スイッチング用トランジスタ721、駆動用トランジスタ722、発光素子724及び容量素子723を有している。スイッチング用トランジスタ721は、ゲート電極層が走査線726に接続され、第1電極(ソース電極層及びドレイン電極層の一方)が信号線725に接続され、第2電極(ソース電極層及びドレイン電極層の他方)が駆動用トランジスタ722のゲート電極層に接続されている。駆動用トランジスタ722は、ゲート電極層が容量素子723を介して電源線727に接続され、第1電極が電源線727に接続され、第2電極が発光素子724の第1電極(画素電極)に接続されている。発光素子724の第2電極は共通電極728に相当する。共通電極728は、同一基板上に形成される共通電位線と電気的に接続される。 The pixel 720 includes a switching transistor 721, a driving transistor 722, a light-emitting element 724, and a capacitor 723. The switching transistor 721 has a gate electrode layer connected to the scan line 726, a first electrode (one of the source electrode layer and the drain electrode layer) connected to the signal line 725, and a second electrode (the source electrode layer and the drain electrode layer). Is connected to the gate electrode layer of the driving transistor 722. In the driving transistor 722, the gate electrode layer is connected to the power supply line 727 via the capacitor 723, the first electrode is connected to the power supply line 727, and the second electrode is connected to the first electrode (pixel electrode) of the light emitting element 724. It is connected. The second electrode of the light emitting element 724 corresponds to the common electrode 728. The common electrode 728 is electrically connected to a common potential line formed over the same substrate.

スイッチング用トランジスタ721および駆動用トランジスタ722は上記実施の形態で説明するトランジスタを適宜用いることができる。これにより、信頼性の高い有機EL表示装置を提供することができる。 The transistor described in the above embodiment can be used as appropriate as the switching transistor 721 and the driving transistor 722. Thereby, an organic EL display device with high reliability can be provided.

発光素子724の第2電極(共通電極728)の電位は低電源電位に設定する。なお、低電源電位とは、電源線727に設定される高電源電位より低い電位であり、例えばGND、0Vなどを低電源電位として設定することができる。発光素子724の順方向のしきい値電圧以上となるように高電源電位と低電源電位を設定し、その電位差を発光素子724に印加することにより、発光素子724に電流を流して発光させる。なお、発光素子724の順方向電圧とは、所望の輝度とする場合の電圧を指しており、少なくとも順方向しきい値電圧を含む。 The potential of the second electrode (common electrode 728) of the light-emitting element 724 is set to a low power supply potential. Note that the low power supply potential is lower than the high power supply potential set to the power supply line 727. For example, GND, 0 V, or the like can be set as the low power supply potential. A high power supply potential and a low power supply potential are set so as to be equal to or higher than the threshold voltage in the forward direction of the light emitting element 724, and by applying the potential difference to the light emitting element 724, a current is passed through the light emitting element 724 to emit light. Note that the forward voltage of the light-emitting element 724 refers to a voltage for obtaining desired luminance, and includes at least a forward threshold voltage.

なお、容量素子723は駆動用トランジスタ722のゲート容量を代用することにより省略できる。駆動用トランジスタ722のゲート容量については、チャネル形成領域とゲート電極層との間で容量が形成されていてもよい。 Note that the capacitor 723 can be omitted by substituting the gate capacitance of the driving transistor 722. With respect to the gate capacitance of the driving transistor 722, a capacitance may be formed between the channel formation region and the gate electrode layer.

次に、駆動用トランジスタ722に入力する信号について説明する。電圧入力電圧駆動方式の場合、駆動用トランジスタ722が十分にオンするか、オフするかの二つの状態となるようなビデオ信号を、駆動用トランジスタ722に入力する。なお、駆動用トランジスタ722を線形領域で動作させるために、電源線727の電圧よりも高い電圧を駆動用トランジスタ722のゲート電極層にかける。また、信号線725には、電源線電圧に駆動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。 Next, a signal input to the driving transistor 722 will be described. In the case of the voltage input voltage driving method, a video signal that causes the driving transistor 722 to be sufficiently turned on or off is input to the driving transistor 722. Note that a voltage higher than the voltage of the power supply line 727 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 722 in order to operate the driving transistor 722 in a linear region. In addition, a voltage equal to or higher than a value obtained by adding the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 to the power supply line voltage is applied to the signal line 725.

アナログ階調駆動を行う場合、駆動用トランジスタ722のゲート電極層に発光素子724の順方向電圧に駆動用トランジスタ722の閾値電圧Vthを加えた値以上の電圧をかける。なお、駆動用トランジスタ722が飽和領域で動作するようにビデオ信号を入力し、発光素子724に電流を流す。また、駆動用トランジスタ722を飽和領域で動作させるために、電源線727の電位を、駆動用トランジスタ722のゲート電位より高くする。ビデオ信号をアナログとすることで、発光素子724にビデオ信号に応じた電流を流し、アナログ階調駆動を行うことができる。 In the case of performing analog gradation driving, a voltage equal to or higher than the value obtained by adding the threshold voltage Vth of the driving transistor 722 to the forward voltage of the light emitting element 724 is applied to the gate electrode layer of the driving transistor 722. Note that a video signal is input so that the driving transistor 722 operates in a saturation region, and a current is supplied to the light-emitting element 724. Further, in order to operate the driving transistor 722 in the saturation region, the potential of the power supply line 727 is set higher than the gate potential of the driving transistor 722. By making the video signal analog, current corresponding to the video signal can be passed through the light-emitting element 724 to perform analog gradation driving.

なお、画素回路の構成は、図20(C)に示す画素構成に限定されない。例えば、図20(C)に示す画素回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサ、トランジスタ又は論理回路などを追加してもよい。 Note that the structure of the pixel circuit is not limited to the pixel structure illustrated in FIG. For example, a switch, a resistor, a capacitor, a sensor, a transistor, a logic circuit, or the like may be added to the pixel circuit illustrated in FIG.

図20で例示した回路に上記実施の形態で例示したトランジスタを適用する場合、低電位側にソース電極(第1の電極)、高電位側にドレイン電極(第2の電極)がそれぞれ電気的に接続される構成とする。さらに、制御回路等により第1のゲート電極の電位を制御し、第2のゲート電極には図示しない配線によりソース電極に与える電位よりも低い電位など、上記で例示した電位を入力可能な構成とすればよい。 When the transistor illustrated in the above embodiment is applied to the circuit illustrated in FIG. 20, the source electrode (first electrode) is electrically connected to the low potential side, and the drain electrode (second electrode) is electrically connected to the high potential side. It is assumed that it is connected. Further, the potential of the first gate electrode is controlled by a control circuit or the like, and the potential exemplified above can be input to the second gate electrode, such as a potential lower than the potential applied to the source electrode by a wiring (not shown). do it.

例えば、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、及び発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、又は様々な素子を有することが出来る。表示素子、表示装置、発光素子又は発光装置の一例としては、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物及び無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、LED(白色LED、赤色LED、緑色LED、青色LEDなど)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、電子放出素子、液晶素子、電子インク、電気泳動素子、グレーティングライトバルブ(GLV)、プラズマディスプレイ(PDP)、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェアレンス・モジュレーション)素子、エレクトロウェッティング素子、圧電セラミックディスプレイ、カーボンナノチューブ、など、電気磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有するものがある。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)又はSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インク又は電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。 For example, in this specification and the like, a display element, a display device that is a device including a display element, a light-emitting element, and a light-emitting device that is a device including a light-emitting element have various forms or have various elements. I can do it. As an example of a display element, a display device, a light emitting element, or a light emitting device, an EL (electroluminescence) element (an EL element including an organic substance and an inorganic substance, an organic EL element, an inorganic EL element), an LED (white LED, red LED, green LED) , Blue LED, etc.), transistor (transistor that emits light in response to current), electron-emitting device, liquid crystal device, electronic ink, electrophoretic device, grating light valve (GLV), plasma display (PDP), MEMS (micro electro Mechanical system), digital micromirror device (DMD), DMS (digital micro shutter), MIRASOL (registered trademark), IMOD (interference modulation) element, electrowetting element, piezoelectric ceramic display , Carbon nanotubes, etc., by an electric magnetic action, those having contrast, brightness, reflectance, a display medium such as transmittance changes. An example of a display device using an EL element is an EL display. As an example of a display device using an electron-emitting device, there is a field emission display (FED), a SED type flat display (SED: Surface-Conduction Electron-Emitter Display), or the like. As an example of a display device using a liquid crystal element, there is a liquid crystal display (a transmissive liquid crystal display, a transflective liquid crystal display, a reflective liquid crystal display, a direct view liquid crystal display, a projection liquid crystal display) and the like. An example of a display device using electronic ink or an electrophoretic element is electronic paper.

本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。 This embodiment can be implemented in appropriate combination with at least part of the other embodiments described in this specification.

(実施の形態9)
本発明の一態様に係る半導体装置は、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像再生装置(代表的にはDVD:Digital Versatile Disc等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを有する装置)に用いることができる。その他に、本発明の一態様に係る半導体装置を用いることができる電子機器として、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図12に示す。
(Embodiment 9)
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a display device, a personal computer, and an image reproducing device including a recording medium (typically a display that can reproduce a recording medium such as a DVD: Digital Versatile Disc and display the image) Device). In addition, as an electronic device in which the semiconductor device according to one embodiment of the present invention can be used, a mobile phone, a game machine including a portable type, a portable data terminal, an electronic book, a video camera, a camera such as a digital still camera, or a goggle type Display (head-mounted display), navigation system, sound playback device (car audio, digital audio player, etc.), copier, facsimile, printer, printer multifunction device, automatic teller machine (ATM), vending machine, etc. . Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.

図12(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体901、筐体902、表示部903、表示部904、マイクロフォン905、スピーカー906、操作キー907、スタイラス908等を有する。なお、図12(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部903と表示部904とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。 FIG. 12A illustrates a portable game machine, which includes a housing 901, a housing 902, a display portion 903, a display portion 904, a microphone 905, speakers 906, operation keys 907, a stylus 908, and the like. Note that although the portable game machine illustrated in FIG. 12A includes the two display portions 903 and 904, the number of display portions included in the portable game device is not limited thereto.

図12(B)は携帯データ端末であり、第1筐体911、第2筐体912、第1表示部913、第2表示部914、接続部915、操作キー916等を有する。第1表示部913は第1筐体911に設けられており、第2表示部914は第2筐体912に設けられている。そして、第1筐体911と第2筐体912とは、接続部915により接続されており、第1筐体911と第2筐体912の間の角度は、接続部915により変更が可能である。第1表示部913における映像を、接続部915における第1筐体911と第2筐体912との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部913および第2表示部914の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。 FIG. 12B illustrates a portable data terminal, which includes a first housing 911, a second housing 912, a first display portion 913, a second display portion 914, a connection portion 915, operation keys 916, and the like. The first display unit 913 is provided in the first housing 911, and the second display unit 914 is provided in the second housing 912. The first housing 911 and the second housing 912 are connected by the connection portion 915, and the angle between the first housing 911 and the second housing 912 can be changed by the connection portion 915. is there. It is good also as a structure which switches the image | video in the 1st display part 913 according to the angle between the 1st housing | casing 911 and the 2nd housing | casing 912 in the connection part 915. FIG. Further, a display device to which a function as a position input device is added to at least one of the first display portion 913 and the second display portion 914 may be used. Note that the function as a position input device can be added by providing a touch panel on the display device. Alternatively, the function as a position input device can be added by providing a photoelectric conversion element called a photosensor in a pixel portion of a display device.

図12(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体921、表示部922、キーボード923、ポインティングデバイス924等を有する。 FIG. 12C illustrates a laptop personal computer, which includes a housing 921, a display portion 922, a keyboard 923, a pointing device 924, and the like.

図12(D)は電気冷凍冷蔵庫であり、筐体931、冷蔵室用扉932、冷凍室用扉933等を有する。 FIG. 12D illustrates an electric refrigerator-freezer, which includes a housing 931, a refrigerator door 932, a refrigerator door 933, and the like.

図12(E)はビデオカメラであり、第1筐体941、第2筐体942、表示部943、操作キー944、レンズ945、接続部946等を有する。操作キー944およびレンズ945は第1筐体941に設けられており、表示部943は第2筐体942に設けられている。そして、第1筐体941と第2筐体942とは、接続部946により接続されており、第1筐体941と第2筐体942の間の角度は、接続部946により変更が可能である。表示部943における映像を、接続部946における第1筐体941と第2筐体942との間の角度に従って切り替える構成としても良い。 FIG. 12E illustrates a video camera, which includes a first housing 941, a second housing 942, a display portion 943, operation keys 944, a lens 945, a connection portion 946, and the like. The operation key 944 and the lens 945 are provided in the first housing 941, and the display portion 943 is provided in the second housing 942. The first housing 941 and the second housing 942 are connected by a connection portion 946, and the angle between the first housing 941 and the second housing 942 can be changed by the connection portion 946. is there. The video on the display portion 943 may be switched according to the angle between the first housing 941 and the second housing 942 in the connection portion 946.

図12(F)は普通自動車であり、車体951、車輪952、ダッシュボード953、ライト954等を有する。 FIG. 12F illustrates an ordinary automobile, which includes a vehicle body 951, wheels 952, a dashboard 953, lights 954, and the like.

(実施の形態10)
本実施の形態では、本発明の一態様に係るRFIDの使用例について図13を用いながら説明する。RFIDの用途は広範にわたるが、例えば、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、証書類(運転免許証や住民票等、図13(A)参照)、包装用容器類(包装紙やボトル等、図13(C)参照)、記録媒体(DVDソフトやビデオテープ等、図13(B)参照)、乗り物類(自転車等、図13(D)参照)、身の回り品(鞄や眼鏡等)、食品類、植物類、動物類、人体、衣類、生活用品類、薬品や薬剤を含む医療品、または電子機器(液晶表示装置、EL表示装置、テレビジョン装置、または携帯電話)等の物品、若しくは各物品に取り付ける荷札(図13(E)、図13(F)参照)等に設けて使用することができる。
(Embodiment 10)
In this embodiment, an example of using RFID according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Although RFID has a wide range of uses, for example, banknotes, coins, securities, bearer bonds, certificates (driver's license, resident's card, etc., see FIG. 13A), packaging containers (wrapping paper and bottles, etc.) Etc., see FIG. 13C), recording medium (DVD software, video tape, etc., see FIG. 13B), vehicles (bicycles, etc., see FIG. 13D), personal items (such as bags and glasses) , Articles such as foods, plants, animals, human bodies, clothing, daily necessities, medical products including drugs and drugs, or electronic devices (liquid crystal display devices, EL display devices, television devices, or mobile phones), Alternatively, it can be used by being provided on a tag (see FIGS. 13E and 13F) attached to each article.

本発明の一態様に係るRFID4000は、表面に貼る、または埋め込むことにより、物品に固定される。例えば、本であれば紙に埋め込み、有機樹脂からなるパッケージであれば当該有機樹脂の内部に埋め込み、各物品に固定される。本発明の一態様に係るRFID4000は、小型、薄型、軽量を実現するため、物品に固定した後もその物品自体のデザイン性を損なうことがない。また、紙幣、硬貨、有価証券類、無記名債券類、または証書類等に本発明の一態様に係るRFID4000を設けることにより、認証機能を設けることができ、この認証機能を活用すれば、偽造を防止することができる。また、包装用容器類、記録媒体、身の回り品、食品類、衣類、生活用品類、または電子機器等に本発明の一態様に係るRFIDを取り付けることにより、検品システム等のシステムの効率化を図ることができる。また、乗り物類であっても、本発明の一態様に係るRFIDを取り付けることにより、盗難などに対するセキュリティ性を高めることができる。 The RFID 4000 according to one embodiment of the present invention is fixed to an article by being attached to or embedded in the surface. For example, a book is embedded in paper, and a package made of an organic resin is embedded in the organic resin and fixed to each article. The RFID 4000 according to one embodiment of the present invention achieves small size, thinness, and light weight, and thus does not impair the design of the product itself even after being fixed to the product. In addition, an authentication function can be provided by providing the RFID 4000 according to one embodiment of the present invention on bills, coins, securities, bearer bonds, certificates, etc., and if this authentication function is utilized, counterfeiting can be performed. Can be prevented. In addition, by attaching an RFID according to one embodiment of the present invention to packaging containers, recording media, personal items, foods, clothing, daily necessities, electronic devices, or the like, the efficiency of a system such as an inspection system is improved. be able to. Further, even with vehicles, security against theft can be improved by attaching the RFID according to one embodiment of the present invention.

以上のように、本発明の一態様に係わるRFIDを本実施の形態に挙げた各用途に用いることにより、情報の書込みや読み出しを含む動作電力を低減できるため、最大通信距離を長くとることが可能となる。また、電力が遮断された状態であっても情報を極めて長い期間保持可能であるため、書き込みや読み出しの頻度が低い用途にも好適に用いることができる。 As described above, by using the RFID according to one embodiment of the present invention for each application described in this embodiment, operating power including writing and reading of information can be reduced; thus, the maximum communication distance can be increased. It becomes possible. In addition, since the information can be held for a very long period even when the power is cut off, it can be suitably used for applications where the frequency of writing and reading is low.

なお、上記実施の形態において、チャネルなどにおいて、酸化物半導体を用いた場合の例を示したが、本発明の一態様は、これに限定されない。例えば、チャネルやその近傍、ソース領域、ドレイン領域などにおいて、場合によっては、または、状況に応じて、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、GaAs(ガリウムヒ素)、などを有する材料で形成してもよい。 Note that in the above embodiment, an example in which an oxide semiconductor is used for a channel or the like is described; however, one embodiment of the present invention is not limited thereto. For example, in the channel and its vicinity, the source region, the drain region, etc., depending on the case or depending on the situation, Si (silicon), Ge (germanium), SiGe (silicon germanium), GaAs (gallium arsenide), etc. You may form with the material which has.

本実施例では、昇温脱離分析(TDS分析)により、酸化ルテニウムに含まれる酸素の脱離に関して調査した結果について説明する。 In this example, the results of investigation on desorption of oxygen contained in ruthenium oxide by temperature programmed desorption analysis (TDS analysis) will be described.

昇温脱離分析とは、高真空で試料を赤外線加熱しながら放出されるガス分子を質量分析することにより、温度毎に試料からの脱離成分の質量スペクトルを得るものである。測定装置のバックグラウンド真空度は、1.33×10−7Pa(10−9Torr)であるため、極微量成分についての分析が可能である。本実施例では、ESCO社のEMD−WA1000Sを使用した。 Thermal desorption analysis is to obtain a mass spectrum of desorbed components from a sample for each temperature by mass analysis of gas molecules emitted while heating the sample with infrared in high vacuum. Since the background vacuum degree of the measuring apparatus is 1.33 × 10 −7 Pa (10 −9 Torr), it is possible to analyze a trace amount component. In this example, EMD-WA1000S manufactured by ESCO was used.

また、TDS分析の結果を示す曲線におけるピークは、分析した試料に含まれる原子または分子が外部に放出されることで現れるピークである。なお、外部に放出される原子または分子の総量は、当該ピークの積分値に相当する。それゆえ、当該ピーク強度の高低によって、酸化ルテニウム膜に含まれる原子または分子の総量を評価することができる。 Moreover, the peak in the curve showing the result of the TDS analysis is a peak that appears when atoms or molecules contained in the analyzed sample are released to the outside. Note that the total amount of atoms or molecules released to the outside corresponds to the integrated value of the peak. Therefore, the total amount of atoms or molecules contained in the ruthenium oxide film can be evaluated based on the level of the peak intensity.

本実施例では、シリコンウェハ上に、スパッタリング法を用いて酸化ルテニウム膜を成膜した。酸化ルテニウムの成膜条件は、酸素流量を20sccm、処理室内の圧力を0.4Pa、100W(DC)、ターゲット−基板間距離を60mm、基板温度を150℃とした。なお、酸化ルテニウムの膜厚を、10nm、30nm、50nm、100nm、200nmの5条件とした。ここで、膜厚が10nmの酸化ルテニウムを試料Aとし、30nmの酸化ルテニウムを試料Bとし、50nmの酸化ルテニウムを試料Cとし、100nmの酸化ルテニウムを試料Dとし、200nmの酸化ルテニウムを試料Eとする。 In this example, a ruthenium oxide film was formed on a silicon wafer by a sputtering method. The ruthenium oxide film formation conditions were an oxygen flow rate of 20 sccm, a pressure in the processing chamber of 0.4 Pa, 100 W (DC), a target-substrate distance of 60 mm, and a substrate temperature of 150 ° C. The film thickness of ruthenium oxide was set to five conditions of 10 nm, 30 nm, 50 nm, 100 nm, and 200 nm. Here, ruthenium oxide having a thickness of 10 nm is sample A, 30 nm ruthenium oxide is sample B, 50 nm ruthenium oxide is sample C, 100 nm ruthenium oxide is sample D, and 200 nm ruthenium oxide is sample E. To do.

次に、試料A乃至試料Eに対して、TDS分析を行った結果を、図15に示す。図15は、基板温度に対する酸素分子放出量を示したグラフである。 Next, the results of TDS analysis performed on Sample A to Sample E are shown in FIG. FIG. 15 is a graph showing the amount of released oxygen molecules with respect to the substrate temperature.

図15に示すTDS分析結果より、酸化ルテニウムが10nmの場合であっても、酸素分子の放出が確認された。また、酸化ルテニウムの膜厚が増加するにつれ、酸素分子の放出量が増加することが確認された。 From the TDS analysis results shown in FIG. 15, the release of oxygen molecules was confirmed even when the ruthenium oxide was 10 nm. It was also confirmed that the amount of released oxygen molecules increased as the ruthenium oxide film thickness increased.

以上の結果から、酸化ルテニウムは、加熱によって、酸素を脱離させることが可能な膜であることが確認された。 From the above results, it was confirmed that ruthenium oxide is a film capable of desorbing oxygen by heating.

本実施例では、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)を用い、加熱処理による酸化シリコン膜中の酸素の挙動を説明する。 In this example, the behavior of oxygen in a silicon oxide film by heat treatment is described using secondary ion mass spectrometry (SIMS).

SIMSは、アルバック・ファイ株式会社製四重極型二次イオン質量分析装置PHI ADEPT1010を用いた。 For SIMS, a quadrupole secondary ion mass spectrometer PHI ADEPT1010 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. was used.

以下に試料の作製方法を示す。 A method for manufacturing the sample is described below.

まず、石英基板を準備し、石英基板上に18を用いて酸化シリコン膜を成膜した。なお、当該酸化シリコン膜は、スパッタリング法により成膜した。具体的には、酸化シリコンターゲットを用い、アルゴンを25sccmおよび酸素(18)を25sccm含む雰囲気において、圧力を0.4Paに制御し、成膜時の基板加熱温度を100℃、成膜電力を1.5kW(13.56MHz)として300nmの厚さで成膜した。 First, a quartz substrate was prepared, and a silicon oxide film was formed on the quartz substrate using 18 O 2 . Note that the silicon oxide film was formed by a sputtering method. Specifically, using a silicon oxide target, in an atmosphere containing 25 sccm of argon and 25 sccm of oxygen ( 18 O 2 ), the pressure is controlled to 0.4 Pa, the substrate heating temperature during film formation is 100 ° C., and the film formation power Was formed to a thickness of 300 nm at 1.5 kW (13.56 MHz).

ここで、18とは、原子量が18である酸素原子の同位体(18O)からなる酸素分子のことをいう。 Here, 18 O 2 refers to an oxygen molecule composed of an isotope of oxygen atom ( 18 O) having an atomic weight of 18.

次に、18を用いた酸化シリコン膜上に酸化シリコン膜を成膜した。なお、当該酸化シリコン膜は、スパッタリング法により成膜した。具体的には、酸化シリコンターゲットを用い、アルゴンを25sccmおよび酸素を25sccm含む雰囲気において、圧力を0.4Paに制御し、成膜時の基板加熱温度を100℃、成膜電力を1.5kW(13.56MHz)として100nmの厚さで成膜した。当該酸化シリコン膜は、意図的に18Oを含ませていない。 Next, a silicon oxide film was formed over the silicon oxide film using 18 O 2 . Note that the silicon oxide film was formed by a sputtering method. Specifically, using a silicon oxide target, in an atmosphere containing 25 sccm of argon and 25 sccm of oxygen, the pressure is controlled to 0.4 Pa, the substrate heating temperature during film formation is 100 ° C., and the film formation power is 1.5 kW ( The film was formed with a thickness of 100 nm. The silicon oxide film does not intentionally contain 18 O.

以上のようにして作製した試料に対し、窒素雰囲気において、150℃、250℃、350℃および550℃の温度で1時間の加熱処理を行った。また、特に加熱処理を行っていない試料も用意した(as−depoと呼ぶ。)。 The sample manufactured as described above was subjected to heat treatment at 150 ° C., 250 ° C., 350 ° C., and 550 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. In addition, a sample not particularly subjected to heat treatment was also prepared (referred to as as-depo).

図16は、SIMSによる18Oの深さ方向分析結果である。図16中に示す、as−depo、150℃、250℃、350℃および550℃の表示は、それぞれ加熱処理の条件に対応する。また、図16中に示した破線より右側が、18を用いて成膜した酸化シリコン膜(酸化シリコン(18)と表記)を示す。 FIG. 16 is a result of analyzing the depth direction of 18 O by SIMS. The displays of as-depo, 150 ° C., 250 ° C., 350 ° C., and 550 ° C. shown in FIG. 16 respectively correspond to the heat treatment conditions. Also, the right side of the broken line shown in FIG. 16, showing a film forming the silicon oxide film (silicon oxide (18 O 2) hereinafter) using a 18 O 2.

図16より、加熱処理を行うことで、18を用いて成膜した酸化シリコン膜から酸化シリコン膜へ18Oが拡散していくことがわかった。また、加熱処理の温度が高いほど、18を用いて成膜した酸化シリコン膜から酸化シリコン膜へ18Oが拡散していく量が多いことがわかった。 FIG. 16 shows that 18 O diffuses from the silicon oxide film formed using 18 O 2 into the silicon oxide film by heat treatment. Further, as the temperature of the heat treatment is high, 18 O 18 O 2 of a silicon oxide film formed using the silicon oxide film was found to often amounts diffuses.

以上より、150℃程度の加熱処理においても、酸化シリコン膜中で酸素が40nm程度拡散することがわかった。 From the above, it was found that oxygen was diffused by about 40 nm in the silicon oxide film even in the heat treatment at about 150 ° C.

本実施例より、加熱処理により酸化シリコン膜中を酸素が拡散することがわかる。 This example shows that oxygen diffuses in the silicon oxide film by heat treatment.

10 電子銃室
12 光学系
14 試料室
16 光学系
18 カメラ
20 観察室
22 フィルム室
24 電子
28 物質
32 蛍光板
400 基板
402 下地絶縁膜
404 酸化物半導体
404a 酸化物半導体
404b 酸化物半導体
404c 酸化物半導体
405 導電膜
406a ソース電極
406b ドレイン電極
408 ゲート絶縁膜
410 ゲート電極
410a 導電膜
410b 導電膜
411 ゲート電極
411a 導電膜
411b 導電膜
411c 導電膜
412 保護絶縁膜
600 基板
602 ゲート絶縁膜
604 酸化物半導体
606a ソース電極
606b ドレイン電極
608 ゲート絶縁膜
610 ゲート電極
610a 導電膜
610b 導電膜
611 ゲート電極
611a 導電膜
611b 導電膜
611c 導電膜
612 保護絶縁膜
620 ゲート電極
620a 導電膜
620b 導電膜
621 ゲート電極
621a 導電膜
621b 導電膜
621c 導電膜
700 基板
701 画素部
702 走査線駆動回路
703 走査線駆動回路
704 信号線駆動回路
710 容量配線
712 ゲート配線
713 ゲート配線
714 ドレイン電極層
716 トランジスタ
717 トランジスタ
718 液晶素子
719 液晶素子
720 画素
721 スイッチング用トランジスタ
722 駆動用トランジスタ
723 容量素子
724 発光素子
725 信号線
726 走査線
727 電源線
728 共通電極
800 RFIDタグ
801 通信器
802 アンテナ
803 無線信号
804 アンテナ
805 整流回路
806 定電圧回路
807 復調回路
808 変調回路
809 論理回路
810 記憶回路
811 ROM
901 筐体
902 筐体
903 表示部
904 表示部
905 マイクロフォン
906 スピーカー
907 操作キー
908 スタイラス
911 筐体
912 筐体
913 表示部
914 表示部
915 接続部
916 操作キー
921 筐体
922 表示部
923 キーボード
924 ポインティングデバイス
931 筐体
932 冷蔵室用扉
933 冷凍室用扉
941 筐体
942 筐体
943 表示部
944 操作キー
945 レンズ
946 接続部
951 車体
952 車輪
953 ダッシュボード
954 ライト
1189 ROMインターフェース
1190 基板
1191 ALU
1192 ALUコントローラ
1193 インストラクションデコーダ
1194 インタラプトコントローラ
1195 タイミングコントローラ
1196 レジスタ
1197 レジスタコントローラ
1198 バスインターフェース
1199 ROM
1200 記憶素子
1201 回路
1202 回路
1203 スイッチ
1204 スイッチ
1206 論理素子
1207 容量素子
1208 容量素子
1209 トランジスタ
1210 トランジスタ
1213 トランジスタ
1214 トランジスタ
1220 回路
2001 不純物領域
2003 ゲート電極
2004 ゲート絶縁膜
2005 側壁絶縁層
2100 トランジスタ
2200 トランジスタ
2201 基板
2202 配線
2203 プラグ
2204 素子分離層
2205 配線
2206 配線
2207 絶縁層
2208 絶縁層
2211 半導体基板
2212 絶縁層
2213 ゲート電極
2214 ゲート絶縁膜
2215 ドレイン領域
3001 配線
3002 配線
3003 配線
3004 配線
3005 配線
3200 トランジスタ
3300 トランジスタ
3400 容量素子
4000 RFID
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electron gun chamber 12 Optical system 14 Sample chamber 16 Optical system 18 Camera 20 Observation chamber 22 Film chamber 24 Electron 28 Material 32 Fluorescent plate 400 Substrate 402 Base insulating film 404 Oxide semiconductor 404a Oxide semiconductor 404b Oxide semiconductor 404c Oxide semiconductor 405 Conductive film 406a source electrode 406b drain electrode 408 gate insulating film 410 gate electrode 410a conductive film 410b conductive film 411 gate electrode 411a conductive film 411b conductive film 411c conductive film 412 protective insulating film 600 substrate 602 gate insulating film 604 oxide semiconductor 606a source electrode 606b Drain electrode 608 Gate insulating film 610 Gate electrode 610a Conductive film 610b Conductive film 611 Gate electrode 611a Conductive film 611b Conductive film 611c Conductive film 612 Protective insulating film 620 Gate electrode 620a Electrode film 620b Conductive film 621 Gate electrode 621a Conductive film 621b Conductive film 621c Conductive film 700 Substrate 701 Pixel portion 702 Scan line driver circuit 703 Scan line driver circuit 704 Signal line driver circuit 710 Capacitance wiring 712 Gate wiring 713 Gate wiring 714 Drain electrode layer 716 Transistor 717 Transistor 718 Liquid crystal element 719 Liquid crystal element 720 Pixel 721 Switching transistor 722 Driving transistor 723 Capacitance element 724 Light emitting element 725 Signal line 726 Scan line 727 Power line 728 Common electrode 800 RFID tag 801 Communication device 802 Antenna 803 Radio signal 804 Antenna 805 Rectifier circuit 806 Constant voltage circuit 807 Demodulator circuit 808 Modulator circuit 809 Logic circuit 810 Memory circuit 811 ROM
901 Case 902 Case 903 Display unit 904 Display unit 905 Microphone 906 Speaker 907 Operation key 908 Stylus 911 Case 912 Case 913 Display unit 914 Display unit 915 Connection unit 916 Operation key 921 Case 922 Display unit 923 Keyboard 924 Pointing device 931 Case 932 Refrigerating room door 933 Freezing room door 941 Case 942 Case 943 Display unit 944 Operation key 945 Lens 946 Connection unit 951 Car body 952 Wheel 953 Dashboard 954 Light 1189 ROM interface 1190 Board 1191 ALU
1192 ALU Controller 1193 Instruction Decoder 1194 Interrupt Controller 1195 Timing Controller 1196 Register 1197 Register Controller 1198 Bus Interface 1199 ROM
1200 memory element 1201 circuit 1202 circuit 1203 switch 1204 switch 1206 logic element 1207 capacitor element 1208 capacitor element 1209 transistor 1210 transistor 1213 transistor 1214 transistor 1220 circuit 2001 impurity region 2003 gate electrode 2004 gate insulating film 2005 sidewall insulating layer 2100 transistor 2200 transistor 2201 substrate 2202 Wiring 2203 Plug 2204 Element isolation layer 2205 Wiring 2206 Wiring 2207 Insulating layer 2208 Insulating layer 2211 Semiconductor substrate 2212 Insulating layer 2213 Gate electrode 2214 Gate insulating film 2215 Drain region 3001 Wiring 3002 Wiring 3003 Wiring 3004 Wiring 3005 Wiring 3200 Transistor 3300 Transistor 3400 Capacitor element 4000 RFID

Claims (11)

酸化物半導体と、
ゲート電極と、
ゲート絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体はフィン形状を有し、
前記ゲート電極は、前記酸化物半導体の上面及び側面と面し、
前記ゲート絶縁膜は、前記酸化物半導体と前記ゲート電極の間に設けられ、
前記ゲート電極は、少なくとも第1の層及び第2の層を含み、
前記第1の層は、前記ゲート絶縁膜と接し、
前記第1の層は、前記第2の層よりも酸素濃度が低い、ことを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor;
A gate electrode;
A gate insulating film,
The oxide semiconductor has a fin shape,
The gate electrode faces an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor;
The gate insulating film is provided between the oxide semiconductor and the gate electrode;
The gate electrode includes at least a first layer and a second layer;
The first layer is in contact with the gate insulating film;
The semiconductor device, wherein the first layer has an oxygen concentration lower than that of the second layer.
請求項1において、
前記第1の層は、前記ゲート絶縁膜よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質からなることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device is characterized in that the first layer is made of a material having higher Gibbs free energy of oxidation reaction than the gate insulating film.
請求項1または請求項2において、
前記第1の層が、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、白金および金から選ばれる一種以上の元素を含むことを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or claim 2,
The semiconductor device, wherein the first layer includes one or more elements selected from silver, copper, ruthenium, iridium, platinum, and gold.
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、
前記ゲート絶縁膜が酸素透過性を有することを特徴とする半導体装置。
In any one of Claim 1 thru | or 3,
A semiconductor device, wherein the gate insulating film has oxygen permeability.
酸化物半導体と、
第1のゲート電極と、
第2のゲート電極と、
第1のゲート絶縁膜と、
第2のゲート絶縁膜と、を有し、
前記酸化物半導体はフィン形状を有し、
前記第1のゲート電極は、前記酸化物半導体の上面及び側面と面し、
前記第2のゲート電極は、前記酸化物半導体の下面と面し、
前記第1のゲート絶縁膜は、前記酸化物半導体と前記第1のゲート電極の間に設けられ、
前記第2のゲート絶縁膜は、前記酸化物半導体と前記第2のゲート電極の間に設けられ、
前記第1のゲート電極は、少なくとも第1の層及び第2の層を含み、
前記第2のゲート電極は、少なくとも第3の層及び第4の層を含み、
前記第1の層は、前記第1のゲート絶縁膜と接し、
前記第3の層は、前記第2のゲート絶縁膜と接し、
前記第1の層は、前記第2の層よりも酸素濃度が低く、
前記第3の層は、前記第4の層よりも酸素濃度が低い、ことを特徴とする半導体装置。
An oxide semiconductor;
A first gate electrode;
A second gate electrode;
A first gate insulating film;
A second gate insulating film,
The oxide semiconductor has a fin shape,
The first gate electrode faces an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor;
The second gate electrode faces a lower surface of the oxide semiconductor;
The first gate insulating film is provided between the oxide semiconductor and the first gate electrode;
The second gate insulating film is provided between the oxide semiconductor and the second gate electrode;
The first gate electrode includes at least a first layer and a second layer;
The second gate electrode includes at least a third layer and a fourth layer,
The first layer is in contact with the first gate insulating film;
The third layer is in contact with the second gate insulating film;
The first layer has a lower oxygen concentration than the second layer,
The semiconductor device, wherein the third layer has an oxygen concentration lower than that of the fourth layer.
請求項5において、
前記第1の層は、前記第1のゲート絶縁膜よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質からなり、
前記第3の層は、前記第2のゲート絶縁膜よりも酸化反応のギブス自由エネルギーが高い物質からなる、ことを特徴とする半導体装置。
In claim 5,
The first layer is made of a material having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the first gate insulating film,
The semiconductor device, wherein the third layer is made of a material having a higher Gibbs free energy for oxidation reaction than the second gate insulating film.
請求項5または請求項6において、
前記第1の層及び前記第3の層が、銀、銅、ルテニウム、イリジウム、白金および金から選ばれる一種以上の元素を含む、ことを特徴とする半導体装置。
In claim 5 or claim 6,
The semiconductor device, wherein the first layer and the third layer contain one or more elements selected from silver, copper, ruthenium, iridium, platinum and gold.
請求項5乃至請求項7のいずれか一項において、
前記第1のゲート絶縁膜及び前記第2のゲート絶縁膜が、酸素透過性を有することを特徴とする半導体装置。
In any one of Claim 5 thru | or 7,
The semiconductor device, wherein the first gate insulating film and the second gate insulating film have oxygen permeability.
請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の半導体装置と、
マイクロフォン、スピーカー、および操作キーのうちの少なくとも1つと、を有する電子機器。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
An electronic apparatus having at least one of a microphone, a speaker, and operation keys.
フィン形状を有する酸化物半導体を形成し、
前記酸化物半導体上にゲート絶縁膜を形成し、
少なくとも酸化物層を含むゲート電極を、前記ゲート絶縁膜を介して、前記酸化物半導体の上面および側面と面するように形成し、
加熱処理を行うことで、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極から前記酸化物半導体へ酸素を供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an oxide semiconductor having a fin shape;
Forming a gate insulating film on the oxide semiconductor;
Forming a gate electrode including at least an oxide layer so as to face an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor through the gate insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, in which oxygen is supplied from the gate electrode to the oxide semiconductor through the gate insulating film by performing heat treatment.
少なくとも酸化物層を含む第2のゲート電極を形成し、
前記第2のゲート電極上に、第2のゲート絶縁膜を形成し、
前記第2のゲート絶縁膜上に、前記第2のゲート電極と重なるように、フィン形状を有する酸化物半導体を形成し、
前記酸化物半導体上に第1のゲート絶縁膜を形成し、
少なくとも酸化物層を含む第1のゲート電極を、前記第1のゲート絶縁膜を介して、前記酸化物半導体の上面および側面と面するように形成し、
加熱処理を行うことで、前記第1のゲート絶縁膜を介して前記第1のゲート電極から前記酸化物半導体へ酸素を供給し、同時に、前記第2のゲート絶縁膜を介して前記第2のゲート電極から前記酸化物半導体へ酸素を供給することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming a second gate electrode including at least an oxide layer;
Forming a second gate insulating film on the second gate electrode;
An oxide semiconductor having a fin shape is formed over the second gate insulating film so as to overlap the second gate electrode,
Forming a first gate insulating film on the oxide semiconductor;
Forming a first gate electrode including at least an oxide layer so as to face an upper surface and a side surface of the oxide semiconductor through the first gate insulating film;
By performing heat treatment, oxygen is supplied from the first gate electrode to the oxide semiconductor through the first gate insulating film, and at the same time, the second gate insulating film is used to supply the second A method for manufacturing a semiconductor device, wherein oxygen is supplied from a gate electrode to the oxide semiconductor.
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